Freisetzung Flüssigstickstoff in den Raum

zunächst: es geht hier nicht um eine Hausaufgabehilfe. Aus
der Schule bin ich schon lange raus.

Vorhanden ist in einem Raum mit 150m³ eine Flasche, gefüllt mit Flüssigstickstoff. 1,5 bar und 26 Liter. Ich würde gerne wissen, welches Volumen nimmt der Stickstoff im Raum ein, wenn vergessen wird, die Flasche zu
schließen bzw. wenn der Flüssigstickstoff auf einmal freigesetzt wird?

Schule wie gesagt, lange her. Mir noch bekannt ist p1 x V1 = p2 x V2. Mit p1=1,5bar, V1=26l, p2=1Bar (Normdruck), V2=? ==> 39l = 0,0039m³

In der Raumluft befindlicher Stickstoff ist dann ja Volumenraum x 0,78 (Wenn man von 78% Stickstoffanteil in der Luft ausgeht) = 117m³. Rechne ich die 0,0039m³ dazu, habe ich im Raum weiterhin nahezu 78% Stickstoff.

Stimmt meine Rechnung?

Danke und Gruß,
Fred

Hallo,

dürfte ich fragen, wenn nicht für die Schule, wofür du diese Rechnung anfertigen willst?
Die Rechnung ist eigentlich komplett falsch, wenn man eine reale Situation annimmt.
Und wenn eine Flasche mit LN2 komplett geschlossen wird, knallt es übrigens früher oder später höchstwahrscheinlich böse…

Grüße,
Grünblatt

Hallo!

Bei einer Dichte von flüssigem Stickstoff von 0,8g/ml hast du da 20800g Stickstoff. Macht bei einer molaren Masse von 28g/mol 743mol. Und bei Raumtemperatur nimmt 1mol Gas etwa 24l ein, dein Stickstoff also 17,830m^3. Das ist nicht sooo viel verglichen mit der Luft in deinem Raum, und würde den Sauerstoff Gehalt theoretisch nicht gefährlich absenken.

Aber der Stickstoff ist recht kalt, und wird sich am Boden sammeln, dort wird die Sauerstoffkonzentration gefährlich niedrig werden!

Der Druck in der Flasche mit Flüssigstickstoff ist irrelevant, weil alles verdampft und dann Normaldruck in der Bude herrscht. Ein Liter Flüssigstickstoff wiegt 0,8085 kg. 26 Liter wiegen dann 21 kg. Das Molgewicht von Stickstoff N2 (Atomgewicht 14) ist 28. Ein Mol (egal welches Gas) hat bei Normaldruck ein Volumen von 22,4 Liter. Also 21000g/28 = 750 Mol. 750 mal 22,4 Liter = 16800 Liter oder 16,8 Kubikmeter. Rund 10 % des Volumens im genannten Raum. Die Diffusion, also Vermischung mit der anderen Raumluft ist auch schnell, die Konvektionsströmung bei den großen Temperaturunterschieden ebenso. Also Entwarnung.
Udo Becker

Hallo,

vielen Dank soweit.
Was ich nicht nachvollziehen kann, ist die Entwarnung. Rechne ich die 16,8m³ zu den sich in der Raumluft befindlichen Stickstoff vin 117m³ dazu, erhalte ich 133m³ Stickstoff. 133,6m³/150m³ macht 89,2% Stickstoffanteil in der Raumluft. Und ab 10% Anteil wirds finster.

Ich habe mich weiter informiert und habe gelesen, dass die Expansionsrate vom flüssigen in den gasförmigen Zustand von Stickstoff 1:694 beträgt. Wäre dass nicht auch damit einfacher zu berechnen? Also 26 Liter x 694 ergibt 18044 Liter = 18m³…

Hallo!

Das mit der Expansionsrate ist quasi nur ein vorgefertigter Wert, der, wie du siehst, zum korrekten Ergebnis führt. Was der Werte Herr mir da so schön nachgeplappert hat :wink: ist aber der allgemeine Weg, mit dem du das für sämtliche Stoffe sofort ausrechnen kannst. Angaben zur Dichte findet man immer, die molare Masse kann man sich schnell selbst ermitteln. Eine Expansionsrate wirst du so schnell nicht für jeden Stoff finden.

Jetzt zur Rechnung: Du hast 150m³ Luft, davon sind 118,5m³ Stickstoff und 31,5m³ Sauerstoff. Jetzt kommen um die 17m³ Stickstoff dazu, macht zusammen 167m³. Der Sauerstoffgehalt liegt dann bei 18,9%. Man sagt, daß es bis 18% keinerlei Beeinträchtigungen gibt, darunter fängt es langsam, zunächst unbemerkt an, unter 11% kann es tödlich werden.

Die Frage ist natürlich, was genau in dem Raum passiert. Ist er luftdicht, wird der Druck steigen. Das ist sogar gut, denn mit zunehmendem Druck darf der Sauerstoffanteil absinken, während er bei niedrigem Druck erhöht werden muß (->Sauerstoffmasken im Flugzeug und für Mount Everest)

Wenn Luft aus dem Raum entweicht, ist die Frage, wieviel alte Luft, und wieviel von dem neuen Stickstoff entweicht. Wenn man davon ausgeht, daß nur alte Luft entweicht und vollständig von Stickstoff ersetzt wird, bleiben 133m³ alte Luft mit 28m³ Sauerstoff zurück. 28m³ auf 150m³ sind immernoch 18,7%, also nur unbedeutend weniger wie im ersten Fall. Keine Ahnung, wie du auf 10% kommst.

Aber ich bleibe auch bei meiner Meinung, daß man keine Entwarnung geben kann.

Wenn das Gefäß einfach nicht geschlossen wird, dann werden diese 26l nicht über Nacht verdampfen. Das geschieht so langsam, daß sich der Stickstoff mit der Luft vermischt, und alles ist gut.
Aber wenn der Stickstoff durch Umkippen des Gefäßes plötzlich vollständig verdampft, dann sammelt er sich am Boden, und erzeugt da eine sauerstoffarme Umgebung. Wenn er mit der Zeit wärmer wird, wird er sich mit der Luft vermischen, ja. Aber Konvektion wird grade eben nicht stattfinden, weil man eine kalte Schicht am Boden hat.

Vielleicht kennst du den Bodennebel, den man bei irgendwelchen Shows über die Bühne wabern lässt, und der keine 10cm hoch ist. Im Prinzip erzeugt man den, indem man Trockeneis (CO2) in warmes Wasser gibt. Auch eigener Erfahrung kann ich dir sagen das geht mit Flüssigstickstoff genauso, aber der ist teurer und unhandlicher.
Jedenfalls, dieser Nebel würde nicht 10m weit über den Boden wabern, wenn er sich so schnell mit der Luft vermischen würde. (Zugegeben, CO2 ist schwerer als Luft, aber dennoch!)

Vielleicht noch ein anderes Beispiel: Ich habe mal in einer Firma nen Studentenjob gehabt, durfte in einem kleineren Raum Batterien verpacken. Es war ziemlich kühl, und die kleine, aber heiße Gasheizung wurde an gemacht. Es wurde nur sehr sehr langsam warm. Aber wenn man aufstand war es, als ob man den Kopf unter die warme Dusche hält. Wenn sich also Luft mit nem Temperaturunterschied von vielleicht 5°C schon derart schichten kann, was kann dann Stickstoff, der sehr viel kälter als die Umgebungsluft ist?

Nimmt man mal an, daß der Raum 50m² Grundfläche hat, stünde der Stickstoff 34cm hoch. Wenn er sich zur Hälfe mit Luft vermischt hätte (und dann kommt man in die 10%-Gegend), stünde er schon 68cm hoch. Und nun ist der Raum vermutlich nicht ganz leer. Wenn ein paar Möbel rumstehen, tun sie das in Bodennähe, wodurch der Stickstoff noch höher steht. Wenn wer rein kommt und sich hinsetzt, sitzt der plötzlich in sauerstoffarmer Luft.

Der Knackpunkt ist, daß es durchaus möglich ist, daß sich zunächst Bereiche mit gefährlich geringer Sauerstoffkonzentration bilden. Und ein Mensch merkt davon rein gar nichts. Reinen Sauerstoffmangel nimmt man als solchen nicht wahr, und wenn irgendwann die ersten Ausfallerscheinungen auftreten, werden grade diese zur Falle. Der Mensch stürzt, und hält die Nase noch tiefer in den Stickstoff.

(OK, das war jetzt was viel Text…)

1 Like

Hallo!

Noch eine Kleinigkeit:

Die 22,4l/mol gelten bei Normbedingungen, dazu gehört auch eine Temperatur von 0°C. Bei 25°C sind es 24,5mol/l, ich habe daher mit 24mol/l gerechnet.

Vielen Dank für die Erläuterungen. Das ist alles verständlich und nachvollziehbar.

Ja ja, meine pädagogisch-missionarische Art ist mir durchgegangen. nachdem ich die Rechnung mit den 1,5 bar gesehen habe, die in die Gasgleichung eingesetzt wurden. Da dachte ich, dem fred musst Du was von Chemie vermitteln.
Udo Becker

Und das hast du auch sehr gut gemacht.
Ich habe noch eine nachgehende Frage. Das oben gesagte bezieht sich doch auf einen geschlossenen Raum, oder?
Wenn z.B. eine Tür auf wäre, so würde Sauerstoff verdrängt werden. Also weiterhin 150m³ Raumvolumen. Nun aber 135.5m³ Stickstoff und 14,5m³ Sauerstoff. Also nur noch 9,6% Sauerstoff. Stimmt das?

Jaaaa, das war ja auch nicht böse gemeint :wink:

Naja, ich habe oben einen zugegeben ziemlich langen Kommentar verfasst. Da steht auch genau das drin.

Zumal, irgendwie verstehe ich nicht, wie du immer auf deine 10% kommst. Die 150m³ haben ca. 20% Sauerstoff. Um auf 10% zu kommen, mußt du die Luft 1:1 mit dem reinen Stickstoff mischen. Beispielsweise, indem du 75m³ Stickstoff in den Raum leitest, und gleichzeitig 75m³ reine Luft raus lässt. Da du aber nur 17m³ Stickstoff hast, bist du weit davon, und damit weit von den 10% entfernt.

Ich war immer der Meinung, dass der Stickstoff den Sauerstoff „aus den Raum“ verdrängt.

Nee, der Sauerstoff ist ja gut mit dem Stickstoff der Luft vermischt, und wird nicht plötzlich rausgefiltert.

Im schlimmsten Fall wird durch die Tür reine Luft mit 79% Stickstoff und 21% Sauerstoff herausgedrückt, und die verbleibende Luft vermischt sich dann langsam mit dem reinen Stickstoff.