El aire líquido es aire que se ha enfriado a temperaturas muy bajas ( temperaturas criogénicas ), de modo que se ha condensado en un líquido móvil de color azul pálido. [1] Se almacena en recipientes especializados, como matraces de vacío , para aislarlo de la temperatura ambiente . El aire líquido puede absorber calor rápidamente y volver a su estado gaseoso. A menudo se utiliza para condensar otras sustancias en líquido y/o solidificarlas, y como fuente industrial de nitrógeno , oxígeno , argón y otros gases inertes mediante un proceso llamado separación de aire .
El aire líquido tiene una densidad de aproximadamente 870 kg/m 3 (870 g/L ; 0,87 g / cm 3 ). La densidad de una muestra de aire determinada varía dependiendo de la composición de esa muestra (por ejemplo, humedad y concentración de CO 2 ). Dado que el aire gaseoso seco contiene aproximadamente un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y un 1% de argón , la densidad del aire líquido en composición estándar se calcula mediante el porcentaje de los componentes y sus respectivas densidades líquidas (ver nitrógeno líquido y oxígeno líquido ). Aunque el aire contiene trazas de dióxido de carbono (aproximadamente 0,03%), el dióxido de carbono se solidifica en la fase gaseosa sin pasar por la fase líquida intermedia y, por lo tanto, no estará presente en el aire líquido a presiones inferiores a 5,1 atm (520 kPa ).
El punto de ebullición del aire es −194,35 °C (78,80 K ; −317,83 °F ), intermedio entre los puntos de ebullición del nitrógeno líquido y el oxígeno líquido . Sin embargo, puede resultar difícil mantener una temperatura estable mientras el líquido hierve, ya que el nitrógeno se evaporará primero, dejando la mezcla rica en oxígeno y cambiando el punto de ebullición. Esto también puede ocurrir en algunas circunstancias debido a que el aire líquido condensa el oxígeno de la atmósfera. [2] : 36
El aire líquido comienza a congelarse a aproximadamente 60 K (-213,2 °C; -351,7 °F), precipitando un sólido rico en nitrógeno (pero con una cantidad apreciable de oxígeno en la solución sólida). A menos que el oxígeno se acomode previamente en la solución sólida, el eutéctico se congela a 50 K. [3]
Los componentes del aire alguna vez se denominaron "gases permanentes", ya que no podían licuarse únicamente mediante compresión a temperatura ambiente. Un proceso de compresión elevará la temperatura del gas. Este calor se elimina enfriándolo a temperatura ambiente en un intercambiador de calor y luego expandiéndose ventilando hacia una cámara. La expansión provoca una disminución de la temperatura y, mediante el intercambio de calor a contracorriente del aire expandido, el aire presurizado que ingresa al expansor se enfría aún más. Con suficiente compresión, flujo y eliminación de calor, eventualmente se formarán gotas de aire líquido, que luego se pueden emplear directamente para demostraciones a baja temperatura.
Los principales componentes del aire fueron licuados por primera vez por los científicos polacos Karol Olszewski y Zygmunt Wróblewski en 1883.
Los dispositivos para la producción de aire líquido son lo suficientemente simples como para que el experimentador los fabrique utilizando materiales comúnmente disponibles. [ cita necesaria ]
El proceso más común para la preparación de aire líquido es el ciclo Hampson-Linde de dos columnas utilizando el efecto Joule-Thomson . Se alimenta aire a alta presión (>75 atm (7600 kPa ; 1100 psi )) a la columna inferior, en la que se separa en nitrógeno puro y líquido rico en oxígeno. El líquido rico y parte del nitrógeno se alimentan como reflujo a la columna superior, que opera a baja presión (<25 atm (2500 kPa; 370 psi)), donde se produce la separación final en nitrógeno puro y oxígeno. Se puede retirar un producto de argón bruto del centro de la columna superior para una mayor purificación. [4]
El aire también puede licuarse mediante el proceso de Claude , que combina enfriamiento por efecto Joule-Thomson , expansión isentrópica y enfriamiento regenerativo. [5]
En los procesos de fabricación, el producto de aire líquido normalmente se fracciona en sus gases constituyentes en forma líquida o gaseosa, ya que el oxígeno es especialmente útil para soldadura y corte con gas combustible y para uso médico, y el argón es útil como protección que excluye el oxígeno. Gas en soldadura por arco de tungsteno con gas . El nitrógeno líquido es útil en diversas aplicaciones de baja temperatura, ya que no reacciona a temperaturas normales (a diferencia del oxígeno) y hierve a 77 K (-196 °C; -321 °F).
Entre 1899 y 1902, el automóvil Liquid Air fue producido y demostrado por una empresa conjunta estadounidense e inglesa, con la afirmación de que podían construir un automóvil que recorrería cien millas con aire líquido.
El 2 de octubre de 2012, la Institución de Ingenieros Mecánicos dijo que el aire líquido podría usarse como medio para almacenar energía. Esto se basó en una tecnología desarrollada por Peter Dearman, un inventor de garaje en Hertfordshire , Inglaterra, para impulsar vehículos. [6]