В таблице указана плотность азота и его теплофизические свойства в газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Теплофизические свойства азота даны при температуре от 0 до 1000°С и давлении от 1 до 100 атмосфер.
Как видно по данным таблицы, такие свойства азота, как температуропроводность и кинематическая вязкость сильно зависят от температуры. При увеличении давления эти свойства азота уменьшают свои значения, при этом значительно возрастает плотность азота . Например, при атмосферном давлении и температуре 0°С плотность азота равна 1,21 кг/м 3 , а при росте давления в 100 раз плотность азота увеличивается до значения 122,8 кг/м 3 при этой же температуре.
Удельная теплоемкость азота с ростом температуры этого газа увеличивается. При увеличении давления удельная теплоемкость азота также растет. Например, при температуре 0°С и атмосферном давлении удельная теплоемкость азота равна 1039 Дж/(кг·град) , а при сжатии этого газа до давления в 100 атмосфер, она составит величину 1242 Дж/(кг·град) при той же температуре.
Следует отметить, что при высоких температурах (около 1000°С) влияние давления на величину удельной теплоемкости азота снижается. Так, при температуре 1000°С и давлении 1 и 100 атм. значение теплоемкости будет соответственно равно 1215 и 1219 Дж/(кг·град) .
В таблице даны следующие свойства азота:
- плотность азота γ , кг/м 3 ;
- удельная теплоемкость C p , кДж/(кг·град);
- коэффициент теплопроводности λ , Вт/(м·град);
- динамическая вязкость μ , ;
- температуропроводность a , м 2 /с;
- кинематическая вязкость ν , м 2 /с;
- число Прандтля Pr .
Плотность диссоциированного азота при высоких температурах.
В таблице даны значения плотности азота в диссоциированном и ионизированном состоянии при давлении от 0,2 до 100 атмосфер при высоких температурах. Плотность азота в газообразном состоянии приведена в диапазоне температур 5000…40000 К в размерности кг/м 3 .
Плотность азота уменьшается с увеличением его температуры и увеличивается при росте давления газа. Значение удельного веса азота (его плотность) в таблице находится в пределах от 0,00043 до 6,83 кг/м 3 . Например, при атмосферном давлении и температуре 5000 К (4727°С) плотность азота составляет величину 0,0682 кг/м 3 . При нагревании азота до температуры 40000 К его плотность снижается до величины 0,00213 кг/м 3 .
Примечание: Будьте внимательны! Плотность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000.
Теплопроводность азота в жидком и газообразном состояниях
В таблице приведены значения теплопроводности азота в жидком и газообразном состояниях в зависимости от температуры и давления.
Теплопроводность азота (размерность Вт/(м·град)) указана в диапазоне температуры от -193 до 1127 °С и давления от 1 до 600 атмосфер.
Теплопроводность диссоциированного азота при высоких температурах.
В таблице даны значения теплопроводности диссоциированного азота при давлении от 0,001 до 100 атмосфер и высоких температурах.
Теплопроводность азота в газообразном состоянии приведена в диапазоне температур 2000…6000 К в размерности Вт/(м·град).
Значение коэффициента теплопроводности азота увеличивается с ростом его температуры и в основном уменьшается при увеличении давления этого газа. Теплопроводность диссоциированного азота в рассмотренных в таблице условиях изменяется в пределах от 0,126 до 6,142 Вт/(м·град).
Будьте внимательны! Теплопроводность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить табличное значение на 1000.
Теплопроводность жидкого азота на линии насыщения.
В таблице представлены значения коэффициента теплопроводности жидкого азота на линии насыщения при низких температурах.
Теплопроводность жидкого азота указана при температурах 90…120 К (-183…-153°С).
По данным таблицы видно, что теплопроводность азота в жидком состоянии уменьшается с ростом его температуры.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000.
Динамическая вязкость азота в зависимости от температуры и давления
В таблице даны значения азота в зависимости от температуры и давления.
Динамическая вязкость азота (размерность Па·с) указана в диапазоне температуры от 80 до 6000 К и давлении от 1 до 400 атмосфер и от 0,001 до 100 атмосфер.
При температуре азота от 3600 К он начинает частично диссоциировать. С ростом температуры газообразного азоат его динамическая вязкость возрастает. При повышении температуры жидкого азота, значение его динамической вязкости также увеличивается.
Примечание: Будьте внимательны! Вязкость азота в таблице указана в степени 10 6 . Не забудьте разделить на 10 6 .
Источники:
- Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
Азот - химический элемент периодической системы, обозначающийся буквой N и имеющий порядковый номер 7. Существует в виде молекулы N2, состоящей из двух атомов. Это химическое вещество представляет собой бесцветный, без запаха и без вкуса газ, он является инертным при стандартных условиях. Плотность азота при нормальных условиях (при 0 °C и давлении 101,3 кПа) равна 1,251 г/дм3. Элемент входит в состав в количестве 78,09 % от ее объема. Впервые был обнаружен как компонент воздуха шотландским врачом Даниэлем Резерфордом в 1772 году.
Жидкий азот является криогенной жидкостью. При атмосферном давлении он кипит при температуре - 195,8 °C. Поэтому его можно хранить только в изолированных сосудах, которыми являются стальные баллоны для сжиженных газов или Только в этом случае его можно хранить или транспортировать без особых потерь из-за испарения. Как и сухой лед (сжиженный иначе называемый углекислота), жидкий азот используется в качестве хладагента. Кроме того, его применяют для криоконсервации крови, половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), а также других биологических образцов и материалов. Он востребован и в клинической практике, например, в криотерапии при удалении кисты и бородавок на коже. Плотность жидкого азота равняется 0,808 г/см3.
Многие промышленно важные соединения, такие, как аммиак, органические нитраты (взрывчатые вещества, топливо) и цианиды, содержат N2. Чрезвычайно сильные связи элементарного азота в молекуле вызывают трудности для участия его в химических реакциях, этим объясняется его инертность при стандартных условиях (температуре и давлении). В том числе и по этим причинам N2 имеет большое значение во многих научных и производственных сферах. Например, он необходим для поддержания внутрипластового давления при добыче нефти или газа. Любое его практическое или научное применений требует знать, какова будет плотность азота при конкретном давлении и температуре. Из законов физики и термодинамики известно, что при постоянном объеме с ростом температуры будет расти давление и и наоборот.
Когда и зачем нужно знать плотность азота? Расчет этого показателя применяется при проектировании технологических процессов, протекающих с применением N2, в лабораторной практике и на производстве. Используя известное значение плотности газа, можно рассчитать его массу в определенном объеме. Например, известно, что газ занимает при нормальных условиях объем 20 дм3. В этом случае можно рассчитать его массу: m = 20 . 1,251 = 25,02 г. Если условия отличные от стандартных, и известен объем N2 при этих условиях, то потребуется сначала найти (по справочникам) плотность азота при определенном давлении и температуре, а затем эту величину умножить на объем, занимаемый газом.
Подобные расчеты проводят на производстве при составлении материальных балансов технологических установок. Они необходимы для ведения технологических процессов, выбора контрольно-измерительных приборов, расчета технико-экономических показателей и прочее. Например, после остановки химического производства все аппараты и трубопроводы должны перед их вскрытием и выводом в ремонт продуваться инертным газом - азотом (он самый дешевый и наиболее доступный по сравнению, например, с гелием или аргоном). Как правило, они продуваются таким количеством N2, который в несколько раз превышает объем аппаратов или трубопроводов, только так можно удалить из системы горючие газы и пары и исключить взрыв или пожар. Планируя операции перед остановочным ремонтом, технолог, зная объем опорожняемой системы и плотность азота, рассчитывает массу N2, которая потребуется для продувки.
Для упрощенных расчетов, не требующих точности, реальные газы приравнивают к идеальным газам и применяют закон Авогадро. Так как масса 1 моль N2 численно равняется 28 граммам, а 1 моль любого идеального газа занимает объем 22,4 литра, то плотность азота будет равняться: 28/22,4 = 1,25 г/л = 1,25 г/дм3. Этот способ быстрого нахождения плотности применим для любого газа, а не только N2. Его часто используют в аналитических лабораториях.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Азот - неметалл. В обычных условиях представляет собой бесцветный газ, который способен конденсироваться в бесцветную жидкость (плотность жидкого азота равна 0,808 г/см 3), кипящую, в отличие от жидкого кислорода, при более низкой температуре (-195,75 o С), чем жидкий кислород.
В твердом состоянии представляет собой кристаллы белого цвета.
Азот плохо растворяется в воде (хуже, чем кислород), но при этом хорошо растворяется в жидком диоксиде серы.
Химический состав и строение молекулы жидкого азота
При обычных условиях азот - бесцветный газ, состоящий из молекул N 2 . Между атомами азота в молекуле есть тройная связь, вследствие чего его молекула исключительно прочная. Молекулярный азот химически малоактивен, слабо поляризуется.
Рассмотрим образование молекулы азота (рис. 1), электронное облако которого имеет форму вытянутой восьмерки. При приближении двух атомов азота их электронные облака перекрываются. Такое перекрывание возможно лишь тогда, когда электроны имеют антипараллельные спины. В области перекрывания облаков повышается электронная плотность, вследствие чего возрастают силы притяжения между атомами. Число общих электронных пар в молекуле азота равно единице (по одному электрону от каждого атома). В молекуле реализуется ковалентный (неполярная) тип связи.
Рис. 1. Строение молекулы азота.
Краткое описание химических свойств и плотность жидкого азота
В обычных условиях азот — химически пассивный элемент; не реагирует с кислотами, щелочами, гидратом аммиака, галогенами, серой. В незначительной степени реагирует с водородом и кислородом при действии электрического разряда (1, 2). В присутствии влаги реагирует с литием при комнатной температуре (3). При нагревании реагирует с магнием, кальцием, алюминием и другими металлами (4, 5, 6).
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 (1);
N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);
N 2 + 6Li = 2Li 3 N (3);
N 2 + 3Mg = Mg 3 N_2 (4);
N 2 + 3Ca = Ca 3 N 2 (5);
N 2 + 2Al = 2AlN (6).
Реакции взаимодействия азота с фтором и углеродом также, как и в случае водорода или кислорода, протекают при действии электрического разряда:
N 2 + 3F 2 = 2NF 3 ;
N 2 + 2C↔C 2 N 2 .
При нагревании до температуры 500-600 o C азот реагирует с гидридом лития (7), если же температурный диапазон составляет 300-350 o C, то возможна реакция с карбидом кальция (8):
N 2 + 3LiH = Li 3 N + NH 3 (7);
N 2 + CaC 2 = Ca(CN) 2 (8).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Плотность газа по воздуху равна 2,564. Рассчитайте массу газа объемом 1 л (н.у.). |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Молярная масса газа равна его плотности по отношению к другому газу, умноженной на молярную массу второго газа: Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. Тогда, молярная масса газа будет равна: M gas = D air × M(air) = 2,564 × 29 = 74,356г/моль. m(gas) = n(gas) ×M gas . Найдем количество вещества газа: V(gas) = n(gas) ×V m ; n(gas) = V(gas) / V m = 1 / 22,4 = 0,04 моль. m(gas) = 0,04 ×74,356 = 2,97 г. |
| Ответ | Масса газа равна 2,97 г. |
Жидкий азот это вещество азот N2 в жидком состоянии при экстремально низкой температуре -196C (77.35K) при давлении 101,3кПа. Зависимость температуры кипения жидкого азота от давления представлена в . Жидкий азот не обладает цветом и запахом. При контакте с воздухом жидкий азот поглощает из него кислород, образуя раствор кислорода в азоте в связи с чем температура кипения смеси постепенно меняется.
Температура жидкого азота может быть понижена до точки замерзания -210С (63К) при создании необходимого разряжения над его поверхностью. Разряжение достигают путем откачки емкости с жидким азотом вакуумным насосом соответствующей производительности.
Плотность жидкого азота при давлении при давлении 101,3кПа составляет 808кг/м3. Зависимость плотности жидкого азота от давления представлена в .
Жидкий азот получают путем ожижения атмосферного воздуха с дальнейшим его разделением на ректификационной колонне, либо ожижением газообразного азота, полученного с помощью мембранного, либо сорбционного метода разделения воздуха. В атмосферном воздухе содержание газообразного азота составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму).
Таблица 1.
Марки жидкого азота классифицируют в соответствии с .
| Марка азота / состав | ||||||
| Особой чистоты (ОСЧ) | Повышенной чистоты | Технический | ||||
| 1-й сорт | 2-й сорт | 1-й сорт | 2-й сорт | 1-й сорт | 2-й сорт | |
| Объемная доля азота, %, не менее | 99,999 | 99,996 | 99,99 | 99,95 | 99,6 | 99,0 |
| Объемная доля кислорода, %, не более | 0,0005 | 0,001 | 0,001 | 0,05 | 0,4 | 1,0 |
Для хранения жидкого азота используются специальные емкости с вакуумной изоляцией. Небольшие емкости для хранения жидкого азота емкостью менее 50л называют сосудами Дьюара, емкости большего объема называют криогенными сосудами, криогенными емкостями и цистернами. При хранении азот испаряется, наиболее качественные емкости характеризуется минимальным значением его испарения. Для криогенных сосудов типичные потери продукта составляют 1-2% в сутки, для сосудов Дьюара 0,2-0,3% в сутки.
Жидкий азот используют для охлаждения различных объектов и для газификации. Газификация жидкого азота позволяет существенно сократить издержки на доставку газообразного азота потребителю. Для газификации жидкого азота используются специальные сосуды газификаторы различных модификаций и азот марки ОСЧ. Для охлаждения достаточно технического азота, т.к. для охлаждения различных объектов как правило отсутствуют требования на чистоту азота. Под чистотой азота понимается степень содержания в нем кислорода.
Таблица 2. Давление насыщенных паров азота при температурах 20-126К
| Т, К | p, гПа | Т, К | p, МПа |
| над кристаллом | над жидкостью | ||
| 20,0 | 1,44×10 -10 | 63,15* | 0,0125* |
| 21,2 | 1,47×10 -10 | 64 | 0,0146 |
| 21,6 | 3,06×10 -10 | 66 | 0,0206 |
| 22,0 | 6,13×10 -10 | 68 | 0,0285 |
| 22,5 | 1,59×10 -9 | 70 | 0,0386 |
| 23,0 | 3,33×10 -9 | 72 | 0,0513 |
| 24,0 | 1,73×10 -8 | 74 | 0,0670 |
| 25,0 | 6,66×10 -8 | 76 | 0,0762 |
| 26,0 | 2,53×10 -7 | 77,36** | 0,1013** |
| 26,4 | 4,26×10 -7 | 80 | 0,1371 |
| 30,0 | 3,94×10 -5 | 82 | 0,1697 |
| 37,4 | 1,17×10 -2 | 84 | 0,2079 |
| 40,0 | 6,39×10 -2 | 86 | 0,2520 |
| 43,5 | 1,40×10 -1 | 88 | 0,3028 |
| 49,6 | 3,49 | 90 | 0,3608 |
| 52,0 | 7,59 | 92 | 0,4265 |
| 54,0 | 13,59 | 94 | 0,5006 |
| 56,0 | 23,46 | 96 | 0,5836 |
| 58,0 | 39,19 | 98 | 0,6761 |
| 60,0 | 69,92 | 100 | 0,7788 |
| 62,0 | 98,11 | 102 | 0,8923 |
| 104 | 1,0172 | ||
| 106 | 1,1541 | ||
| 108 | 1,3038 | ||
| 110 | 1,4669 | ||
| 116 | 2,0442 | ||
| 120 | 2,5114 | ||
| 124 | 3,0564 | ||
| 126,2 *** | 3,4000*** | ||
Примечание: * - тройная точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка
Таблица 3. Плотность жидкого азота в диапазоне температур 63-126К
| Т, К | ρ, кг/м3 |
| 63,15 | 868,1 |
| 70 | 839,6 |
| 77,35 | 807,8 |
| 80 | 795,5 |
| 90 | 746,3 |
| 100 | 690,6 |
| 110 | 622,7 |
| 120 | 524,1 |
| 126,25 | 295,2 |
Таблица 4. Приблизительный расход жидкого азота на охлаждение некоторых металлов
| Хладагент |
Температурный интервал охлаждения металла, К |
Расход хладагента, л на 1 кг металла | ||
| Алюминий | Нержавеющая сталь | Медь | ||
| При использовании теплоты парообразования | ||||
| Жидкий азот | 300 до 77 | 1,0 | 0,53 | 0,46 |
| При использовании теплоты парообразования и теплоемкости пара | ||||
| Жидкий азот | 300 до 77 | 0,64 | 0,34 | 0,29 |
Таблица 5. Основные физические свойства жидкого азота
| Параметр, свойство | Азот | |
| Температура кипения, К | 77,36 | |
| Критическая точка |
|
|
| Тройная точка |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
| Отношение разницы энтальпий газа при Т=300К и Т=4,2К к теплоте парообразования, Δi/r | 1,2 | |
|
||
| Диэлектрическая постоянная жидкости | 1,434 | |
| Газ при нормальных условиях (t= 0 °C, p=101,325кПа) | ||
|
|
|
|
|
|
