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액체 질소

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액체 질소의 모습
2013년 온라인 뉴스 협회 컨퍼런스 중 조지아주 애틀랜타의 프리사이드 메이커 스페이스에서 진행된 액체 질소 시연
액체 질소 데워를 사용해 수제 아이스크림을 만드는 학생들

액체 질소(한국 한자: 液體窒素, 영어: liquid nitrogen, LN2)는 저온 상태의 액체 질소를 말한다. 끓는점은 약 −196 °C (−321 °F; 77 K)이다. 액체 질소는 액화 공기의 분별 증류를 통해 산업적으로 생산된다. 무색의 유동성 액체로, 점성도는 아세톤의 약 절반(즉, 실온에서의 물의 약 6분의 1)이다. 액체 질소는 냉각제로 널리 사용된다.[1]

물리적 성질

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N2 분자의 이원자 특성은 액화 후에도 유지된다. N2 분자 사이의 약한 반데르발스 힘으로 인해 원자 간 인력이 거의 발생하지 않는다. 이것이 질소의 끓는점이 이례적으로 낮은 원인이다.[2]

액체 질소의 온도는 진공펌프로 가동되는 진공 챔버에 넣어 −210 °C (−346 °F; 63 K)의 어는점까지 쉽게 낮출 수 있다.[3] 냉각제로서 액체 질소의 효율은 더 따뜻한 물체와 접촉하는 즉시 끓어올라 질소 가스 거품의 절연층으로 물체를 감싸버린다는 점 때문에 제한된다. 이러한 효과는 라이덴프로스트 효과로 알려져 있으며, 액체가 끓는점보다 상당히 뜨거운 표면과 접촉할 때 발생한다. 액체 질소 단독보다는 액체와 고체 질소의 슬러시에 물체를 담그면 더 빠른 냉각 효과를 얻을 수 있다.[3]

취급

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생체 조직을 급격히 결빙시키는 저온 유체이므로 취급 및 저장 시 단열재가 필요하다. 액체가 천천히 끓으면서 온도가 77 K로 일정하게 유지되는 진공 플라스크에 보관 및 운송할 수 있다. 크기와 디자인에 따라 진공 플라스크의 보관 시간은 몇 시간에서 몇 주까지 다양하다. 가압 초단열 진공 용기의 개발로 액체 질소를 더 오랜 기간 보관 및 운송할 수 있게 되었으며, 손실률을 하루 2% 이하로 줄였다.[4]

용도

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액체 질소는 극한의 냉각 조치가 필요할 때 오버클럭된 컴퓨터를 냉각하는 데 사용될 수 있다.

액체 질소는 가압이 필요하지 않기 때문에 작고 운반이 쉬운 건조 질소 가스의 공급원이다. 또한 물의 어는점보다 훨씬 낮은 온도를 유지하는 능력, 1040 J⋅kg−1⋅K−1의 비열, 200 kJ⋅kg−1의 증발열 덕분에 주로 개방 사이클 냉매를 포함한 광범위한 응용 분야에서 매우 유용하게 사용된다.

요리

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액체 질소로 만든 밀크셰이크. 잔 윗부분에서 질소 증기가 나오는 것을 볼 수 있다.

요리에 액체 질소를 사용하는 것은 애그니스 마셜이 저술한 1890년 요리책 《Fancy Ices》에 언급되어 있다.[14] 최근에는 레스토랑에서 아이스크림과 같은 냉동 디저트를 준비할 때 사용되는데, 음식을 냉각하는 속도가 빨라 테이블에서 즉석으로 만들 수 있다.[14] 냉각 속도가 빠르면 전통적인 방식으로 냉각할 때보다 더 작은 얼음 결정이 형성되어 디저트의 질감이 더 부드러워진다.[14] 이 기술은 셰프 헤스턴 블루먼솔이 자신의 레스토랑 더 팻 덕에서 달걀과 베이컨 아이스크림 같은 냉동 요리를 만드는 데 사용했다.[14][15] 일부 바텐더는 액체 질소를 사용해 잔을 빠르게 차갑게 하거나, 재료를 얼리거나, 액체 질소 칵테일의 주요 성분으로 추가하기도 한다.[16] 액체 질소의 미세한 방울이 주변 공기와 접촉하면서 자연적으로 존재하는 수증기를 응결시켜 음료에 연기가 나는 효과를 낸다.[16] 요리에 액체 질소를 사용할 때는 각별한 주의가 필요한데, 액체를 실수로 삼키면 신체에 심각하고 치명적인 손상을 입힐 수 있기 때문이다(아래 안전 문단 참조).

역사

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질소는 1883년 4월 15일 야기에우워 대학교에서 폴란드의 물리학자 지그문트 브루블레프스키와 카롤 올셰프스키에 의해 처음으로 액화되었다.[17]

안전

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저장 탱크에서 액체 질소 데워 플라스크를 채우는 모습

질소의 액체 대 기체 팽창비는 20 °C (68 °F)에서 1:694이기 때문에, 밀폐된 공간에서 액체 질소가 기화하면 엄청난 힘이 발생할 수 있다. 2006년 1월 12일 텍사스 A&M 대학교에서 발생한 사고에서는 액체 질소 탱크의 압력 방출 장치가 고장 나 밀봉된 상태였다. 이후 발생한 압력 축적으로 인해 탱크가 폭발적으로 파손되었다. 폭발의 힘은 탱크를 바로 위의 천장으로 밀어 올리고, 바로 아래의 철근 콘크리트 보를 산산조각 내며, 실험실 벽을 기초에서 10 ~ 20 cm (4 to 8 inches) 밀어낼 정도로 강력했다.[18] 2021년 1월에는 미국 조지아주의 가금류 가공 공장에서 액체 질소 관이 파열되어 6명이 사망하고 11명이 부상을 입었다.[19]

매우 낮은 온도 때문에 액체 질소나 그에 의해 냉각된 물체를 부주의하게 취급하면 동상을 입을 수 있다. 이 경우 취급 시 특수 장갑을 사용해야 한다. 하지만 약간 튀거나 피부에 쏟아지는 정도는 라이덴프로스트 효과로 인해 즉시 화상을 입히지는 않는다. 증발하는 가스가 젖은 손가락으로 뜨거운 물체를 아주 잠깐 만지는 것처럼 어느 정도 열을 차단해주기 때문이다. 그러나 액체 질소가 어느 한곳에 고이게 되면 심각한 화상을 입힌다.

액체 질소가 증발하면 공기 중의 산소 농도를 감소시켜 특히 밀폐 공간에서 질식을 유발할 수 있다. 질소는 무색, 무취, 무미하며 아무런 감각이나 사전 경고 없이 질식을 일으킬 수 있다.[20][21][22]

액체 질소를 다룰 때 밀폐 공간으로의 가스 누출을 작업자에게 알리기 위한 안전 조치로 산소 센서가 사용되기도 한다.[23]

액체 질소를 담은 용기는 공기 중의 산소를 응결시킬 수 있다. 그러한 용기 내의 액체는 질소가 증발함에 따라 산소(끓는점 90 K; −183 °C; −298 °F)가 점점 농축되어 유기물의 격렬한 산화를 일으킬 수 있다.[24]

액체 질소를 섭취하면 접촉하는 조직의 결빙과 체온에 의해 액체가 데워지면서 발생하는 다량의 질소 가스로 인해 심각한 내부 손상을 입을 수 있다.[25] 1997년에 액체 질소를 입에 물고 라이덴프로스트 효과를 시연하던 한 물리학과 학생이 실수로 물질을 삼켜 치명적인 부상을 입었다. 이는 의학 문헌에 기록된 최초의 액체 질소 섭취 사례인 것으로 보인다.[26] 2012년 영국의 한 젊은 여성은 액체 질소로 만든 칵테일을 마신 후 위를 제거하는 수술을 받았다.[27]

생산

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액체 질소는 상업적으로 액화 공기의 저온 증류를 통해 생산되거나, 압축 흡착을 사용하여 공기에서 추출한 순수 질소를 액화하여 생산한다. 공기압축기를 사용하여 여과된 공기를 고압으로 압축하고, 고압 가스를 주변 온도로 냉각한 후 저압으로 팽창시킨다. 팽창하는 공기는 크게 냉각되며(줄-톰슨 효과), 산소, 질소, 아르곤은 추가적인 팽창 및 증류 단계를 통해 분리된다. 소규모 액체 질소 생산은 이 원리를 사용하여 쉽게 수행할 수 있다.[28] 액체 질소는 직접 판매용으로 생산되거나, 제강과 같은 산업 공정에 사용되는 액체 산소 제조의 부산물로 생산될 수 있다. 하루 수 톤 규모의 제품을 생산하는 액화 공기 공장은 1930년대에 건설되기 시작했으나 제2차 세계 대전 이후 매우 일반화되었으며, 대규모 현대 공장은 하루에 3000톤의 액화 공기 제품을 생산할 수 있다.[29]

같이 보기

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각주

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  1. ↑ “국립국어원 표준국어대사전”. 2023년 12월 26일에 확인함.
  2. ↑ Henshaw, D. G.; Hurst, D. G.; Pope, N. K. (1953). “Structure of Liquid Nitrogen, Oxygen, and Argon by Neutron Diffraction”. 《Physical Review》 92 (5): 1229–1234. Bibcode:1953PhRv...92.1229H. doi:10.1103/PhysRev.92.1229.
  3. 1 2 Umrath, W. (1974). “Cooling bath for rapid freezing in electron microscopy”. 《Journal of Microscopy》 101: 103–105. doi:10.1111/j.1365-2818.1974.tb03871.x. S2CID 96286845.
  4. ↑ DATA BOOK for Cryogenic Gases and Equipment 보관됨 2014-05-17 - 웨이백 머신. aspenycap.org
  5. ↑ Wainner, Scott; Richmond, Robert (2003). 《The Book of Overclocking: Tweak Your PC to Unleash Its Power》. No Starch Press. 44쪽. ISBN 1-886411-76-X.
  6. ↑ Karam, Robert D. (1998). 《Satellite Thermal Control for System Engineers》. AIAA. 89쪽. ISBN 1-56347-276-7.
  7. ↑ ACI Committee 207 – Report on Cooling and Insulating Systems for Mass Concrete
  8. ↑ Liquid nitrogen – how to dose effectively 보관됨 2013-06-16 - 웨이백 머신, June 19, 2012
  9. ↑ Chart Dosers Dosing Products 보관됨 2013-03-04 - 웨이백 머신, June 19, 2012
  10. ↑ Harrabin, Roger (2012년 10월 2일). “Liquid air 'offers energy storage hope'”. BBC. 2019년 2월 16일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 6월 22일에 확인함.
  11. ↑ Markham, Derek (2012년 10월 3일). “Frozen Air Batteries Could Store Wind Energy for Peak Demand”. 《Treehugger》. Discovery Communications. 2012년 11월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 10월 22일에 확인함.
  12. ↑ Dyer, Ted G. (February 2010). “Freeze-branding cattle” (PDF).
  13. ↑ “Soil Freezing”.
  14. 1 2 3 4 “Who What Why: How dangerous is liquid nitrogen?”. 《BBC News》. 2012년 10월 9일. 2012년 10월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 10월 9일에 확인함.
  15. ↑ Wallop, Harry (2012년 10월 9일). “The dark side of liquid nitrogen cocktails”. 《The Daily Telegraph》. 2012년 10월 10일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 10월 12일에 확인함.
  16. 1 2 Gladwell, Amy (2012년 10월 9일). “Teenager's stomach removed after drinking cocktail”. 《Newsbeat》 (BBC). 2012년 10월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 10월 9일에 확인함.
  17. ↑ Tilden, William Augustus (2009). 《A Short History of the Progress of Scientific Chemistry in Our Own Times》. BiblioBazaar, LLC. 249쪽. ISBN 978-1-103-35842-7. 2013년 12월 31일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2016년 2월 28일에 확인함.
  18. ↑ Mattox, Brent S. “Investigative Report on Chemistry 301A Cylinder Explosion” (PDF). Texas A&M University. 2008년 10월 31일에 원본 문서 (reprint)에서 보존된 문서.
  19. ↑ Fausset, William; Levenson, Michael (2021년 1월 28일). “6 Die After Liquid Nitrogen Leak at Georgia Poultry Plant”. 《The New York Times》. 2021년 1월 29일에 원본 문서에서 보존된 문서.
  20. ↑ British Compressed Gases Association (2000) BCGA Code of Practice CP30. The Safe Use of Liquid nitrogen Dewars up to 50 litres. 보관됨 2007-07-18 - 웨이백 머신 ISSN 0260-4809.
  21. ↑ Confined Space Entry - Worker and Would-be Rescuer Asphyxiated 보관됨 2017-08-29 - 웨이백 머신, Valero Refinery Asphyxiation Incident Case Study.
  22. ↑ Inquiry after man dies in chemical leak, BBC News, October 25, 1999.
  23. ↑ 《Liquid Nitrogen – Code of practice for handling》. United Kingdom: Birkbeck, University of London. 2007. 2018년 6월 12일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 2월 8일에 확인함.
  24. ↑ Levey, Christopher G. “Liquid Nitrogen Safety”. Thayer School of Engineering at Dartmouth. 2016년 3월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 6월 23일에 확인함.
  25. ↑ Zaldo Arredondo, Carlos I.; Abarca Magallón, Alfredo S.; Damacio Breton, Roberto E.; Estrada Gonzales, Jose A.; Leal Isla Flores, Valeria (2025년 4월 24일). “Gastric Perforation After Liquid Nitrogen Cocktail Ingestion: A Case Report” (영어). 《Cureus》 17 (4). doi:10.7759/cureus.82897. ISSN 2168-8184. PMC 12103062.
  26. ↑ “Student Gulps Into Medical Literature”. 우스터 폴리테크닉 대학. 1999년 1월 20일. 2014년 2월 22일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2014년 10월 11일에 확인함.
  27. ↑ Liquid nitrogen cocktail leaves teen in hospital, BBC News, October 8, 2012.
  28. ↑ “CRYOGEN Series - F-DGSi - PDF Catalogs | Technical Documentation”.
  29. ↑ Almqvist, Ebbe (2003) History of Industrial Gases, Springer, ISBN 0306472775 p. 163

외부 링크

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