Flüssiger Stickstoff

Flüssiger Stickstoff ist durchsichtig, wie Wasser. Da er bei Raumtemperatur ständig siedet, ist immer ein leichtes Perlen auf der Oberfläche zu sehen.

Einige Stoffdaten von N2

Die Kritische Temperatur für Stickstoff liegt nach dieser Tabelle umgerechnet bei -147°C. D.h. über dieser Temperatur kann Stickstoff nie im flüssigen Zustand auftreten. Das ist auch der Grund, warum eine Stickstofflasche auch bei 200bar keinen flüssigen Stickstoff enthält. Denn unter keinem noch so hohen Druck kann Stickstoff bei Raumtemperatur verflüssigt werden. Aus dem gleichen Grund kann Stickstoff auch nicht ohne zusätzliche Kühlung verflüssigt werden.

Achtung:  Flüssiger Stickstoff darf niemals in fest verschlossene Gefäße wie z.B. Thermosflaschen gefüllt werden. Wie aus den Stoffdaten ersichtlich ist, verdampft der Stickstoff bei Raumtemperatur auch im eingeschlossenen Fall, solange bis keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist! Welchen Druck das dann erzeugt kann sich sicher jeder vorstellen.

Das man bei -196°C nicht die Finger hinein stecken soll, braucht hier hoffentlich nicht mehr erwähnt werden. Wobei das für kurze Zeit sogar möglich ist, da sich an der warmen Hand sehr viel Gas bildet und so den direkten Kontakt mit dem Stickstoff verhindert. Aber wie gesagt, Vorsicht ist hierbei angebracht !

Herstellung von flüssiger Luft

Bei der Herstellung von flüssiger Luft wird der Joule-Thomson-Effekt ausgenutzt. Dieser besagt, dass sich ein Gas abkühlt, wenn es sich ohne Arbeitsleistung und Wärmeaustausch mit der Umgebung entspannt.

Bei Stickstoff (oder Luft) stellt man pro bar Druckdifferenz eine Abkühlung um 1/4°C fest. Dieser Effekt funktioniert erst ab der so genannten Inversionstemperatur. Für Stickstoff liegt diese bei 578°C. Über dieser tritt sogar eine Erwärmung des Gases auf. Das ist z.B. bei Wasserstoff der Fall, der eine Inversionstemperatur von -80°C hat.

Physikalisch kann dieser Effekt dadurch erklärt werden, dass die Moleküle beim Entspannen Arbeit gegen die inneren Anziehungskräfte leisten müssen. Wird diese Energie nicht von außen zugeführt, wird sie dem Gas selbst entnommen, dass dadurch kalt wird.

Im Linde-Verfahren wird Luft mit einem Kompressor auf 200bar komprimiert. Anschließend wird sie über ein Drosselventil auf 20 bar entspannt. Dabei tritt eine Abkühlung um 45°C auf. Die kühle Luft dient nun zur weiteren Kühlung der komprimierten Luft. Dazu durchströmt sich vor dem neuerlichen Komprimieren einen Gegenstromkühler, der die Luft vor dem Drosselventil abkühlt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis sich die Luft bei 20bar schließlich verflüssigt.

Zur Abfüllung muss der Stickstoff dann noch auf Normaldruck entspannt werden, wodurch wieder ein kleiner Teil verloren geht. Die entstehende Verdampfungskälte hilft aber das Gefäß abzukühlen, dass zunächst ja noch Raumtemperatur hat.

Für den Transport dürfen nur spezielle Isoliergefäße so genannte Dewar Gefäß verwendet werden. Diese sind wie eine große Thermosflasche aufgebaut, bestehen aber aus einem Spezialgas, das diesen Beanspruchungen standhält.

Zu beachten ist, dass unbedingt ein Entlüftungsloch im Deckel vorgesehen werden muss. Bei den Vertreibern von flüssiger Luft ist es nicht gern gesehen, wenn ein Gefäß mit einem zu großen Deckel verwendet wird. Für den Transport ist das ungünstig, da der Stickstoff ausgeschüttet werden kann. 

Reine Stickstoffbehälter besitzen ein kugel- oder flaschenförmiges Gefäß mit einem schmalen Hals. Darin hält sich der Stickstoff auch merklich länger (einige Tage), da nicht soviel Wärme über den Deckel eindringen kann. Der Deckel ist ja nicht vakuumisoliert.
Bei Normaldruck hat der siedende Stickstoff eine Temperatur -195,75°C. Da der verdampfende Stickstoff  ebenfalls noch sehr kalt ist, kondensiert an ihm das Wasser in der Luft, und macht ihn somit indirekt sichtbar.

Wird etwas Stickstoff auf eine warme Fläche geschüttet, so bilden sich viele kleine Tröpfchen, die auf Luftpolstern dahingleiten. Das ist das gleiche Prinzip wie wenn ein Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte nicht sofort verdampft. Es bildet sich zwischen Tropfen und Unterlage ein Gaspolster, der den Tropfen abhebt, und so vor einer zu starken Erwärmung schützt. Wenn man den Stickstoff vorsichtig ausgießt bilden sich auch einer glatten Fläche große Tropfen, die sich auch in der warmen Umgebungsluft sehr lange halten.

Wird in den Stickstoff ein warmer Gegenstand getaucht, dann beginnt er sofort heftig zu sieden, und kühlt dadurch den Gegenstand ab. Dabei hört man zwei unterschiedliche Geräusche. Kurz nach dem Eintauschen ist ein heftiges Blubbern zu hören. Der Grund hierfür ist die starke Gasentwicklung. Erst nach einiger Zeit geht das Blubbern in das dem Sieden ähnlichere Zischen (oder Perlen) über. Da in der 1.Phase sehr viel Gas produziert wird, kühlt der Gegenstand relativ schlecht ab, weil er vom flüssigen Stickstoff durch den gasförmigen teilweise abgeschirmt wird.

Ein weiterer interessanter Effekt macht sich bemerkbar, wenn der Gegenstand abgekühlt ist. Dann steigen immer noch Dampfblasen von dessen Oberfläche auf, obwohl seine Temperatur schon längst die des Stickstoffes erreicht hat.