Brrr… bardzo zimno
Wykład z kriogeniki z wykorzystaniem ciekłego azotu
Wykład z kriogeniki z wykorzystaniem ciekłego azotu
Brrr… bardzo zimno
Kriogenika to dziedzina nauki zajmująca się badaniem i wykorzystaniem właściwości ciał w ekstremalnie niskich temperaturach oraz uzyskiwaniem i mierzeniem tych niskich temperatur. Za graniczną wartość temperatury w kriogenice przyjmuje się −150 °C (123 K).
Słowo kriogenika pochodzi z języka greckiego — κρύος [krios] „zimno“ + γένος [genos] „ród”.
Kriogenika ma poważny udział w takich dziedzinach jak:
- badania przestrzeni kosmicznej (paliwa i utleniacze w rakietach, chłodzenie przyrządów astronomicznych),
- chemia i fizyka (Magnetyczny Rezonans Jądrowy NMR, akceleratory cząstek, spintronika),
- biologia i medycyna (dermatologia, chirurgia, krioterapia, transplantologia, przechowywanie nasienia, komórek macierzystych i krwi),
- obróbka metali i metalurgia (zwiększenie twardości wierteł, frezów i łożysk, oczyszczanie ciekłych metali, spawanie),
- elektronika i energetyka (nadprzewodnictwo),
- przemysł spożywczy (pakowanie w atmosferze ochronnej, mrożenie produktów, kuchnia molekularna).
Do najpowszechniej używanych w technice kriogenicznej substancji zalicza się azot N2, tlen O2, hel He, wodór H2 oraz argon Ar.
%
Azot jest podstawowym składnikiem powietrza
Azot, który jest głównym składnikiem ziemskiej atmosfery, nie ma smaku, zapachu i barwy. Ciekły azot łatwo otrzymywany jest na skalę przemysłową z oczyszczonego suchego powietrza, które spręża się do wysokiego ciśnienia, następnie schładza i rozpręża. W wyniku takich kolejnych wymian ciepła, temperatura rozprężanego powietrza ciągle spada aż następuje skraplanie.
Do przechowywania, przenoszenia i dozowania ciekłego azotu służą naczynia Dewara (dewary). Naczynia te posiadają podwójne ścianki pomiędzy którymi znajduje się szczelna przestrzeń. Wypompowuje się z niej powietrze, by uzyskać próżnię, która uniemożliwia przekazywanie ciepła przez konwekcję. Nazwa naczynia pochodzi od nazwiska wynalazcy — szkockiego fizyka sir Jamesa Dewara.
- Temperatura zera bezwzględnego, zero absolutne −273,15 °C
- Ciekły hel −268,95 °C
- Ciekły wodór −252,87 °C
- Ciekły azot −195,79 °C
- Ciekły argon −185,84 °C
- Ciekły tlen −182,96 °C
- Ciekły metan −161,5 °C
- Najniższa temperatura powietrza na Ziemi (Wostok, Antarktyka) −89,2 °C
- Najniższa temperatura powietrza w Polsce (Siedlce) –41,0 °C
Po raz pierwszy azot skroplili 13 kwietnia 1883 roku Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski, profesorowie Uniwersytetu Jagielońskiego w Krakowie. Kilka dni wcześniej, 5 kwietnia, polscy uczeni po raz pierwszy w historii ujrzeli skroplony tlen.
Wymagania techniczne
minimalna wysokość pomieszczenia do wybuchu 5 m | |
wolna powierzchnia o promieniu 3 m, którą można zachlapać wodą | |
4 stoły o wymiarach 120×60 cm lub podobne | |
dostęp do zasilania 230 V 4,6 kW | |
dostęp do wody (napełnienie naszych pojemników) | |
1 mop z wiadrem | |
nagłośnienie o parametrach dostosowanych do miejsca | |
1 mikrofon bezprzewodowy doręczny lub możliwość podłączenia naszego przez XLR | |
1 mikroport nagłowny lub możliwość podłączenia naszego przez XLR | |
1 tor stereo mały jack (podłączenie iPada) | |
rzutnik z wejściem HDMI lub ekran do naszego rzutnika | |
duży telewizor z wejściem HDMI lub telebim lub miejsce na nasz ekran LED 65″ |
W bardzo niskiej temperaturze materiały tracą plastyczność
oraz stają się kruche. Wspólnie z naukowcami zbadamy, jak temperatura ciekłego azotu wpływa na różne substancje i przedmioty z naszego otoczenia.
Ciekawe, czy znajdzie się śmiałek,
który sprawdzi to na… własnej ręce?! Teoretycznie rzecz biorąc, bezpośredni kontakt z ciekłym azotem spowoduje nieodwracalne zamrożenie żywej tkanki. We wnętrzu wyziębionych komórek formują się kryształki lodu powodujące odwodnienie i zniszczenie. Powstała rana podobna jest do oparzenia, a dalsze uszkodzenia mogą prowadzić do powstania martwicy lub nawet gangreny. Być może przed utratą dłoni uchroni nas zjawisko zaobserwowane przez Johanna Leidenfrosta?
Na wykładzie nie zabraknie doświadczeń kulinarnych
z wykorzystaniem niskiej temperatury skroplonego azotu. Ekspresowo przyrządzimy smaczne śmietankowe bezy, a porowatą strukturę chrupek kukurydzianych wykorzystamy do zbadania zjawiska transportu ciepła.
Olszewski i Wróblewski skroplili powietrze
bardzo żmudną metodą kaskadową. Na wykładzie nie mamy tyle czasu i skomplikowanej aparatury, ale dysponujemy ciekłym azotem, którego temperatura jest o 13 °C niższa od temperatury wrzenia tlenu oraz… puszką po napoju energetycznym. Czy taki „naukowy zestaw“ pozwoli nam zobaczyć niebieskie kropelki tlenu?