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Nitrógeno líquido

Nitrógeno líquido
Una demostración de nitrógeno líquido en el espacio de fabricación de Freeside en Atlanta, Georgia, durante la conferencia de la Online News Association en 2013
Estudiantes preparando helado casero con un dewar de nitrógeno líquido

El nitrógeno líquido ( LN2 ) es nitrógeno en estado líquido a baja temperatura . El nitrógeno líquido tiene un punto de ebullición de aproximadamente -196 °C (-321 °F; 77 K). Se produce industrialmente mediante destilación fraccionada de aire líquido . Es un líquido incoloro y móvil cuya viscosidad es aproximadamente una décima parte de la de la acetona (es decir, aproximadamente una trigésima parte de la del agua a temperatura ambiente ). El nitrógeno líquido se utiliza ampliamente como refrigerante .

Propiedades físicas

El carácter diatómico de la molécula de N 2 se conserva después de la licuefacción . La débil interacción de van der Waals entre las moléculas de N 2 da como resultado una pequeña atracción interatómica. Esta es la causa del punto de ebullición inusualmente bajo del nitrógeno . [1]

La temperatura del nitrógeno líquido se puede reducir fácilmente hasta su punto de congelación −210 °C (−346 °F; 63 K) colocándolo en una cámara de vacío bombeada por una bomba de vacío . [2] La eficiencia del nitrógeno líquido como refrigerante está limitada por el hecho de que hierve inmediatamente al entrar en contacto con un objeto más cálido, envolviendo el objeto en una capa aislante de burbujas de gas nitrógeno. Este efecto, conocido como efecto Leidenfrost , ocurre cuando cualquier líquido entra en contacto con una superficie que está significativamente más caliente que su punto de ebullición. Se puede obtener un enfriamiento más rápido sumergiendo un objeto en una mezcla de nitrógeno líquido y sólido en lugar de nitrógeno líquido solo. [2]

Manejo

Como fluido criogénico que congela rápidamente el tejido vivo, su manipulación y almacenamiento requieren aislamiento térmico . Se puede almacenar y transportar en frascos de vacío , manteniendo la temperatura constante a 77 K mediante la ebullición lenta del líquido. Según el tamaño y el diseño, el tiempo de retención de los frascos de vacío varía de unas pocas horas a unas pocas semanas. El desarrollo de recipientes de vacío superaislados presurizados ha permitido almacenar y transportar nitrógeno líquido durante períodos de tiempo más prolongados con pérdidas reducidas al 2 por ciento por día o menos. [3]

Usos

El nitrógeno líquido se puede utilizar para enfriar una computadora overclockeada , cuando se necesita una medida extrema de enfriamiento.

El nitrógeno líquido es una fuente compacta y de fácil transporte de gas nitrógeno seco, ya que no requiere presurización. Además, su capacidad para mantener temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua, su calor específico de 1040 J · kg -1 · K -1 y su calor de vaporización de 200 kJ · kg -1 lo hacen extremadamente útil en una amplia gama de aplicaciones, principalmente como refrigerante de ciclo abierto , entre las que se incluyen:

Culinario

El uso culinario del nitrógeno líquido se menciona en un libro de recetas de 1890 titulado Fancy Ices escrito por Agnes Marshall , [14] pero ha sido empleado en tiempos más recientes por restaurantes en la preparación de postres congelados, como helado, que se pueden crear en unos momentos en la mesa debido a la velocidad a la que enfría los alimentos. [14] La rapidez del enfriamiento también conduce a la formación de cristales de hielo más pequeños, lo que proporciona al postre una textura más suave. [14] La técnica es empleada por el chef Heston Blumenthal que la ha utilizado en su restaurante, The Fat Duck , para crear platos congelados como helado de huevo y tocino. [14] [15] El nitrógeno líquido también se ha vuelto popular en la preparación de cócteles porque se puede utilizar para enfriar rápidamente vasos o congelar ingredientes. [16] También se agrega a las bebidas para crear un efecto ahumado, que se produce cuando pequeñas gotas de nitrógeno líquido entran en contacto con el aire circundante, condensando el vapor que está presente de forma natural. [16]

Historia

El nitrógeno fue licuado por primera vez en la Universidad Jagellónica el 15 de abril de 1883 por los físicos polacos Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski . [17]

Seguridad

Cómo llenar un Dewar con nitrógeno líquido desde un tanque de almacenamiento

Debido a que la relación de expansión de líquido a gas del nitrógeno es de 1:694 a 20 °C (68 °F), se puede generar una enorme cantidad de fuerza si el nitrógeno líquido se vaporiza en un espacio cerrado. En un incidente ocurrido el 12 de enero de 2006 en la Universidad Texas A&M , los dispositivos de alivio de presión de un tanque de nitrógeno líquido funcionaron mal y luego se sellaron. Como resultado de la acumulación de presión posterior, el tanque falló catastróficamente. La fuerza de la explosión fue suficiente para impulsar el tanque a través del techo inmediatamente superior, romper una viga de hormigón armado inmediatamente inferior y hacer volar las paredes del laboratorio a 0,1-0,2 m de sus cimientos. [18] En enero de 2021, una línea que transportaba nitrógeno líquido se rompió en una planta de procesamiento de aves de corral en el estado estadounidense de Georgia, matando a seis personas e hiriendo a otras 11. [19]

Debido a su temperatura extremadamente baja, la manipulación descuidada del nitrógeno líquido y de cualquier objeto enfriado por él puede provocar quemaduras por frío . En ese caso, se deben utilizar guantes especiales durante la manipulación. Sin embargo, una pequeña salpicadura o incluso un chorro sobre la piel no provocará quemaduras inmediatas debido al efecto Leidenfrost , el gas que se evapora aísla térmicamente hasta cierto punto, como si se tocara un elemento caliente muy brevemente con un dedo mojado. Si el nitrógeno líquido logra acumularse en algún lugar, provocará quemaduras graves.

El nitrógeno líquido, al evaporarse, reduce la concentración de oxígeno en el aire y puede actuar como asfixiante , especialmente en espacios reducidos . El nitrógeno es inodoro, incoloro e insípido y puede producir asfixia sin ninguna sensación ni aviso previo. [20] [21] [22]

Los sensores de oxígeno a veces se utilizan como medida de seguridad cuando se trabaja con nitrógeno líquido para alertar a los trabajadores de derrames de gas en un espacio confinado. [23]

Los recipientes que contienen nitrógeno líquido pueden condensar el oxígeno del aire. El líquido en dichos recipientes se enriquece cada vez más con oxígeno (punto de ebullición 90 K; -183 °C; -298 °F) a medida que el nitrógeno se evapora, y puede causar una oxidación violenta de la materia orgánica. [24]

La ingestión de nitrógeno líquido puede causar graves daños internos, debido a la congelación de los tejidos que entran en contacto con él y al volumen de nitrógeno gaseoso que se desprende a medida que el líquido se calienta con el calor corporal. En 1997, un estudiante de física que demostraba el efecto Leidenfrost manteniendo nitrógeno líquido en la boca tragó accidentalmente la sustancia, lo que le provocó lesiones casi fatales. Este fue aparentemente el primer caso en la literatura médica de ingestión de nitrógeno líquido. [25] En 2012, a una joven en Inglaterra le extirparon el estómago después de ingerir un cóctel elaborado con nitrógeno líquido. [26]

Producción

El nitrógeno líquido se produce comercialmente a partir de la destilación criogénica de aire licuado o de la licuefacción de nitrógeno puro derivado del aire mediante adsorción por oscilación de presión . Se utiliza un compresor de aire para comprimir el aire filtrado a alta presión; el gas a alta presión se enfría de nuevo a temperatura ambiente y se deja expandir a una presión baja. El aire en expansión se enfría mucho (el efecto Joule-Thomson ), y el oxígeno, el nitrógeno y el argón se separan mediante etapas posteriores de expansión y destilación. La producción a pequeña escala de nitrógeno líquido se logra fácilmente utilizando este principio. [ cita requerida ] El nitrógeno líquido puede producirse para la venta directa o como un subproducto de la fabricación de oxígeno líquido utilizado para procesos industriales como la fabricación de acero . Las plantas de aire líquido que producen del orden de toneladas por día de producto comenzaron a construirse en la década de 1930, pero se volvieron muy comunes después de la Segunda Guerra Mundial; una gran planta moderna puede producir 3000 toneladas / día de productos de aire líquido. [27]

Véase también

Enlaces externos

Referencias

  1. ^ Henshaw, DG; Hurst, DG; Pope, NK (1953). "Estructura del nitrógeno líquido, el oxígeno y el argón por difracción de neutrones". Physical Review . 92 (5): 1229–1234. Código Bibliográfico :1953PhRv...92.1229H. doi :10.1103/PhysRev.92.1229.
  2. ^ ab Umrath, W. (1974). "Baño de enfriamiento para congelación rápida en microscopía electrónica". Journal of Microscopy . 101 : 103–105. doi :10.1111/j.1365-2818.1974.tb03871.x. S2CID  96286845.
  3. ^ LIBRO DE DATOS sobre gases y equipos criogénicos Archivado el 17 de mayo de 2014 en Wayback Machine . aspenycap.org
  4. ^ Wainner, Scott; Richmond, Robert (2003). El libro del overclocking: Modifique su PC para liberar su potencia . No Starch Press. pp. 44. ISBN 1-886411-76-X.
  5. ^ Karam, Robert D. (1998). Control térmico de satélites para ingenieros de sistemas . AIAA. pág. 89. ISBN 1-56347-276-7.
  6. ^ Comité 207 del ACI – Informe sobre sistemas de refrigeración y aislamiento para hormigón en masa
  7. ^ Receta de helado de nitrógeno líquido Archivado el 20 de diciembre de 2009 en Wayback Machine , 7 de marzo de 2006
  8. ^ Nitrógeno líquido: cómo dosificarlo de manera eficaz Archivado el 16 de junio de 2013 en Wayback Machine , 19 de junio de 2012
  9. ^ Tabla de dosificación de productos Archivado el 4 de marzo de 2013 en Wayback Machine , 19 de junio de 2012
  10. ^ Harrabin, Roger (2 de octubre de 2012). «El aire líquido «ofrece esperanzas de almacenamiento de energía»». BBC. Archivado desde el original el 16 de febrero de 2019. Consultado el 22 de junio de 2018 .
  11. ^ Markham, Derek (3 de octubre de 2012). «Baterías de aire congelado podrían almacenar energía eólica para la demanda máxima». Treehugger . Discovery Communications. Archivado desde el original el 5 de noviembre de 2012. Consultado el 22 de octubre de 2012 .
  12. ^ Dyer, Ted G. (febrero de 2010). "Marcado de ganado mediante congelación" (PDF) .[ enlace muerto ]
  13. ^ "Congelación del suelo".
  14. ^ abcd "Who What Why: How dangerous is liquid nitrogen?". BBC News . 9 de octubre de 2012. Archivado desde el original el 9 de octubre de 2012. Consultado el 9 de octubre de 2012 .
  15. ^ Wallop, Harry (9 de octubre de 2012). «El lado oscuro de los cócteles de nitrógeno líquido». The Daily Telegraph . Archivado desde el original el 10 de octubre de 2012. Consultado el 12 de octubre de 2012 .
  16. ^ ab Gladwell, Amy (9 de octubre de 2012). «Le extirparon el estómago a una adolescente después de beber un cóctel». Newsbeat . BBC. Archivado desde el original el 9 de octubre de 2012 . Consultado el 9 de octubre de 2012 .
  17. ^ Tilden, William Augustus (2009). Breve historia del progreso de la química científica en nuestros tiempos. BiblioBazaar, LLC. pág. 249. ISBN 978-1-103-35842-7Archivado desde el original el 31 de diciembre de 2013. Consultado el 28 de febrero de 2016 .
  18. ^ Mattox, Brent S. "Informe de investigación sobre la explosión del cilindro de química 301A" (PDF) . Universidad Texas A&M. Archivado desde el original (reimpresión) el 2008-10-31.
  19. ^ Fausset, William; Levenson, Michael (28 de enero de 2021). "Mueren 6 personas tras una fuga de nitrógeno líquido en una planta avícola de Georgia". The New York Times . Archivado desde el original el 29 de enero de 2021.
  20. ^ Asociación Británica de Gases Comprimidos (2000) Código de Prácticas CP30 de la BCGA. Uso seguro de recipientes Dewar de nitrógeno líquido de hasta 50 litros. Archivado el 18 de julio de 2007 en Wayback Machine ISSN 0260-4809.
  21. ^ Entrada a espacios confinados: trabajador y posible rescatista se asfixian Archivado el 29 de agosto de 2017 en Wayback Machine , Estudio de caso de incidente de asfixia en la refinería de Valero.
  22. ^ Investigación tras muerte de un hombre en una fuga de sustancias químicas Archivado el 7 de enero de 2017 en Wayback Machine , BBC News, 25 de octubre de 1999 .
  23. ^ Nitrógeno líquido: código de prácticas para su manipulación. Reino Unido: Birkbeck, University of London. 2007. Archivado desde el original el 2018-06-12 . Consultado el 2012-02-08 .
  24. ^ Levey, Christopher G. "Liquid Nitrogen Safety". Escuela de Ingeniería Thayer en Dartmouth. Archivado desde el original el 5 de marzo de 2016. Consultado el 23 de junio de 2012 .
  25. ^ "Estudiante se adentra en la literatura médica". Instituto Politécnico de Worcester . 20 de enero de 1999. Archivado desde el original el 22 de febrero de 2014. Consultado el 11 de octubre de 2014 .
  26. ^ Un cóctel de nitrógeno líquido deja a un adolescente en el hospital Archivado 2017-04-12 en Wayback Machine , BBC News, 8 de octubre de 2012 .
  27. ^ Almqvist, Ebbe (2003) Historia de los gases industriales , Springer, ISBN 0306472775 pág. 163