Nitrógeno líquido

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

El carácter diatómico de la molécula de N₂ _se conserva tras la licuefacción . La débil interacción de van der Waals entre las moléculas de N₂ _da como resultado una escasa 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 de −210 °C (−346 °F; 63 K) colocándolo en una cámara de vacío con una bomba de vacío . ^{[ 2 ]} La eficacia del nitrógeno líquido como refrigerante está limitada por el hecho de que hierve inmediatamente al entrar en contacto con un objeto más caliente, envolviéndolo 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 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 solo nitrógeno líquido. ^{[ 2 ]}   

Como fluido criogénico que congela rápidamente el tejido vivo, su manipulación y almacenamiento requieren aislamiento térmico . Puede almacenarse y transportarse en termos , manteniendo la temperatura constante a 77  K mediante la ebullición lenta del líquido. Según el tamaño y el diseño, el tiempo de conservación en termos varía desde unas pocas horas hasta varias semanas. El desarrollo de recipientes de vacío presurizados y superaislados ha permitido almacenar y transportar nitrógeno líquido durante períodos más prolongados, reduciendo las pérdidas a un 2 % diario o menos. ^{[ 3 ]}

El nitrógeno líquido es una fuente compacta y fácilmente transportable 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:

• en crioterapia para eliminar lesiones cutáneas antiestéticas o potencialmente malignas como verrugas y queratosis actínica.
• para almacenar células a baja temperatura para trabajos de laboratorio
• en criogenia
• como fuente de nitrógeno de reserva en sistemas de prevención de incendios en aire hipóxico
• como fuente de gas nitrógeno muy seco
• para la inmersión, congelación y transporte de productos alimenticios
• para la criopreservación de sangre , células reproductivas ( espermatozoides y óvulos ) y otras muestras y materiales biológicos .
  • para preservar muestras de tejido de extirpaciones quirúrgicas para estudios futuros.
  • para facilitar la crioconservación de recursos genéticos animales
• Congelar tuberías de agua y petróleo para poder trabajar en ellas en situaciones donde no se dispone de una válvula para bloquear el flujo de fluido hacia el área de trabajo; este método se conoce como aislamiento criogénico.
• para la preservación criogénica con la esperanza de una futura reanimación.
• para el ajuste por contracción de piezas de maquinaria
• como refrigerante
  • para cámaras de carga acoplada en astronomía
  • para un superconductor de alta temperatura a una temperatura suficiente para lograr la superconductividad
  • para mantener una temperatura baja alrededor del sistema de refrigeración primaria de helio líquido de los imanes superconductores de alto campo utilizados, por ejemplo, en espectrómetros de resonancia magnética nuclear y sistemas de imágenes por resonancia magnética.
  • para trampas de bombas de vacío y en procesos de evaporación controlada en química.
  • como componente de baños de enfriamiento utilizados para reacciones a muy baja temperatura en química.
  • para aumentar la sensibilidad de los cabezales buscadores infrarrojos de misiles como el Strela 3
  • para contraer temporalmente los componentes mecánicos durante el montaje de la máquina y permitir mejores ajustes de interferencia.
  • para computadoras y overclocking extremo ^{[ 4 ]}
  • para la simulación del fondo espacial en una cámara de vacío durante las pruebas térmicas de la nave espacial ^{[ 5 ]}
  • para controlar la temperatura del hormigón en masa , inyectado para preenfriar las mezclas de hormigón durante el transporte ^{[ 6 ]}
• en la inertización y presurización de contenedores mediante la inyección de una cantidad controlada de nitrógeno líquido justo antes del sellado o taponado ^{[ 7 ] [ 8 ]}
• como medio de almacenamiento de energía ^{[ 9 ] [ 10 ]}
• en el marcado por congelación del ganado ^{[ 11 ]}
• En la construcción de túneles para estabilizar terrenos inestables y sueltos mediante la inyección de nitrógeno líquido en el suelo para congelar el agua presente en él; con una mayor capacidad portante e impermeabilidad , el terreno mejorado no colapsará durante la excavación y los trabajos posteriores. ^{[ 12 ]}

Culinario

El uso culinario del nitrógeno líquido se menciona en un libro de recetas de 1890 titulado Fancy Ices , escrito por Agnes Marshall . ^{[ 13 ]} En tiempos más recientes, los restaurantes lo han empleado en la preparación de postres congelados, como el helado, que se puede crear en cuestión de segundos en la mesa debido a la rapidez con la que enfría los alimentos. ^{[ 13 ]} La rapidez del enfriamiento también conduce a la formación de cristales de hielo más pequeños que cuando se enfría con métodos tradicionales, lo que proporciona al postre una textura más suave. ^{[ 13 ]} La técnica es empleada por el chef Heston Blumenthal, quien la ha utilizado en su restaurante, The Fat Duck , para crear platos congelados como helado de huevo y tocino. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Algunos bármanes usan nitrógeno líquido para enfriar rápidamente vasos, congelar ingredientes o agregarlo como ingrediente destacado en cócteles con nitrógeno líquido . ^{[ 15 ]} Crea un efecto ahumado en una bebida, que ocurre cuando pequeñas gotas de nitrógeno líquido entran en contacto con el aire circundante, condensando el vapor que está presente de forma natural. ^{[ 15 ]} Se debe tener mucho cuidado al trabajar con nitrógeno líquido en recipientes, ya que la ingestión accidental del líquido puede provocar daños graves y posiblemente fatales al cuerpo .

El nitrógeno fue licuado por primera vez en la Universidad Jaguelónica el 15 de abril de 1883 por los físicos polacos Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski . ^{[ 16 ]}

Debido a que la relación de expansión líquido-gas del nitrógeno es de 1:694 a 20 °C (68 °F) , se puede generar una fuerza tremenda si el nitrógeno líquido se vaporiza en un espacio cerrado. En un incidente ocurrido el 12 de enero de 2006 en la Universidad de Texas A&M , los dispositivos de alivio de presión de un tanque de nitrógeno líquido fallaron y posteriormente se sellaron. Como resultado de la acumulación de presión subsiguiente, el tanque falló catastróficamente. La fuerza de la explosión fue suficiente para impulsar el tanque a través del techo inmediatamente encima de él, destrozar una viga de hormigón armado inmediatamente debajo y volar las paredes del laboratorio de 10 a 20 cm (4 a 8 pulgadas) de sus cimientos. ^{[ 17 ]} En enero de 2021, una tubería que transportaba nitrógeno líquido se rompió en una planta procesadora de aves de corral en el estado estadounidense de Georgia, causando la muerte de seis personas y heridas a otras once. ^{[ 18 ]}    

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

Al evaporarse, el nitrógeno líquido reduce la concentración de oxígeno en el aire y puede actuar como asfixiante , especialmente en espacios confinados . El nitrógeno es inodoro, incoloro e insípido, y puede producir asfixia sin ninguna sensación ni advertencia previa. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

En ocasiones, se utilizan sensores de oxígeno como medida de seguridad al trabajar con nitrógeno líquido para alertar a los trabajadores sobre derrames de gas en espacios confinados. ^{[ 22 ]}

Los recipientes que contienen nitrógeno líquido pueden condensar el oxígeno del aire. El líquido en dicho recipiente se enriquece progresivamente en oxígeno (punto de ebullición 90 K; −183 °C; −298 °F ) a medida que el nitrógeno se evapora, y puede provocar una oxidación violenta de la materia orgánica. ^{[ 23 ]}   

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 libera al calentarse el líquido con el calor corporal. ^{[ 24 ]} En 1997, un estudiante de física que demostraba el efecto Leidenfrost sosteniendo nitrógeno líquido en la boca ingirió accidentalmente la sustancia, lo que le provocó lesiones casi mortales. Este fue aparentemente el primer caso de ingestión de nitrógeno líquido documentado en la literatura médica. ^{[ 25 ]} En 2012, a una joven en Inglaterra le extirparon el estómago tras ingerir un cóctel preparado con nitrógeno líquido. ^{[ 26 ]}

El nitrógeno líquido se produce comercialmente mediante la destilación criogénica de aire licuado o mediante la licuefacción de nitrógeno puro derivado del aire utilizando adsorción por cambio de presión . Se utiliza un compresor de aire para comprimir aire filtrado a alta presión; el gas a alta presión se enfría hasta la temperatura ambiente y se deja expandir a baja presión. El aire en expansión se enfría considerablemente ( efecto Joule-Thomson ), y el oxígeno, el nitrógeno y el argón se separan mediante etapas adicionales de expansión y destilación. La producción a pequeña escala de nitrógeno líquido se logra fácilmente utilizando este principio. ^{[ 27 ]} El nitrógeno líquido puede producirse para su venta directa o como subproducto de la fabricación de oxígeno líquido utilizado en procesos industriales como la siderurgia . Las plantas de aire líquido con una producción del orden de toneladas por día comenzaron a construirse en la década de 1930, pero se hicieron muy comunes después de la Segunda Guerra Mundial; una gran planta moderna puede producir 3000 toneladas/día de productos de aire líquido. ^{[ 28 ]}

• Licuefacción de gases
• Gas industrial
• Refrigeración de ordenadores
• Planta de gas criogénico
• Motor de nitrógeno líquido

• Contenido multimedia relacionado con el nitrógeno líquido en Wikimedia Commons.