Brrr… bardzo zimno

Wykład z kriogeniki z wykorzystaniem ciekłego azotu

Badamy współczynnik ekspansji

Ludzka ręka kontra ciekły azot

Wybuch w beczce

Wpływ temperatury na plastyczność

Eksplozja mgły

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”.

Minus 196 stopni Celsjusza

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).
Właściwości azotu

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.

Naczynie Dewara do przechowywania ciekłego azotu

Pan Korek z dewaremDo 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
  • Najniższa temperatura powietrza na Ziemi (Antarktyka) −89,2 °C
  • Najniższa temperatura powietrza w Polsce (Siedlce) –41,0 °C
Portrety Zygmunta Wróblewskiego i Karola Olszewskiego

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.

Wrzący azot
Pan Korek i wybuch piłeczek — wymagania techniczne

   Wymagania techniczne

 

Wysokość pomieszczenia minimalna wysokość pomieszczenia do wybuchu 5 m
Powierzchnia o promieniu wolna powierzchnia o promieniu 3 m, którą można zachlapać wodą
Stół 4 stoły o wymiarach 120×60 cm
Zasilanie dostęp do zasilania 230 V 4,6 kW
Dostęp do wody dostęp do wody (napełnienie naszych pojemników)
Nagłośnienie nagłośnienie o parametrach dostosowanych do miejsca
Mikrofon doręczny 2 mikrofony bezprzewodowe doręczne
Mikroport nagłowny 1 mikroport nagłowny lub możliwość podłączenia naszego przez XLR
Wtyk jack 1 tor stereo mały jack
Mop z wiadrem 1 mop z wiadrem

Chwila nieuwagi...

Eksperyment z lateksem

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.

Badamy wpływ niskiej temperatury na różne substancje
Chyba coś tu strzeliło
Pojemniki z gazem w ciekłym azocie

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?

Nie wolno wkładać ręki do ciekłego azotu
Polewanie dłoni ciekłym azotem
Młodzi i bardzo odważni naukowcy

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.

Badania nad porowatą strukturą chrupek kukurydzianych

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?

Skraplanie tlenu
Pod koniec wykładu sprawdzimy, czy przechowywanie wrzącego azotu w szczelnym naczyniu to dobry pomysł.

 

Tylko dlaczego ten eksperyment zaplanowany jest na koniec?

Wybuch mgły
Wielki wybuch w 200-litrowej beczce