我們在日常生活中估計接觸到液態氮的機會比較少,但是一些電腦發燒友或者實驗工作者可能會常常用到這種東西。氮氣由于無色、無味、沒有腐蝕性、也不支持燃燒,化學性質比較穩定,因此將其制作成為液態進行保存,在食品冷藏、冶金、醫療以及作為保護氣等方面都有著相當廣泛的用途。在網上一些腦洞大開的朋友,還做過液氮冷凍魚類、冷凍蟑螂等等比較奇葩的實驗,將液氮作為挑戰生物生存極限的特殊物質,依靠液態創造了很低的溫度。下面就讓榮耀氣體來講一講它吧!
那么,如果將液態氮密封在一個拇指大小的鋼塊中,因為完全密封,是否可以當作永久性冰塊呢?在理論情況下,所有物質在一定的溫度和壓強之下,會呈現出固有的不同相態,即我們常見固態、液態和氣態。比如,水在1個標準大氣壓之下,0攝氏度就是它的冰點,是固態和液態的臨界溫度;100攝氏度是它的沸點,是液態和氣態的臨界溫度。我們只要相應地改變物質所處環境的溫度和壓強組合,就會有幾率改變物體的相態。這一點很重要,因為無論是對于我們常規下看到的是氣體、液體,還是固體,在不同的溫度-壓強的組合條件下,我們就能夠判斷出這個物體所處的狀態,水是我們研究相對透徹的物質,比如在100攝氏度、10個標準氣壓下水仍然為液態;在200攝氏度、10萬個標準氣壓下呈現的為固態。
所以說,系統的溫度,并不是判定物質存在狀態的唯一依據。對于氮氣也一樣,在1個標準大氣壓下,-210攝氏度是它的冰點,在此之下就會呈現固態,在-210攝氏度到-196攝氏度之間呈現液態,而在-196攝氏度以上,它就會轉化為氣態。在制造液態氮時,常用的方法就是在常溫下對氣體進行壓縮,通過增加壓強的方式使之氣體轉化為液體,然后通過管道輸入到液態罐中加以貯存。液態氮所處的環境壓力不足以支撐其相態時,體積就會發生膨脹,在此過程中就會發生氣化吸熱現象,即從周圍的環境中吸收大量的熱量,從而為空氣分子的內能增加注入能量。按照能量守恒定律,能量不會無緣無故地產生,也不會無緣無故地消失,因此,在氮氣分子內能增加的同時,系統內周圍環境中的熱能就會減少,表現出溫度降低的結果,這也是使用液態氮可以進行有效降溫甚至冷凍周圍物體的原理。
那么,假如貯存液態氮的容器完全密封,是不是可以持續這種冷凍效果呢?答案是顯然不能,因為任何物質都不能至始至終地吸熱,也不能至始至終的一直放熱,這是由能量守恒定律決定的。液態氮只所以能夠吸收熱量,剛才說了,是在氣化的過程中發生的,這是一種主動的吸熱過程,而如果我們確保貯存液態氮的容器是完全封閉的,那么這個氣化吸熱的過程,不會像我們打開閥門那樣迅速地發生,而是一個相對非常緩慢的過程。