Se você deseja congelar algo a temperaturas incrivelmente baixas, o nitrogênio líquido é o produto químico que você precisa. O líquido ultrafrígido é comumente usado para congelamento super rápido no processamento de alimentos e em aplicações científicas. Mas como isso funciona? E o que torna o nitrogênio tão eficaz no congelamento? Vamos mergulhar na química por trás desse líquido criogênico maravilhoso!
O nitrogênio líquido ferve a -196°C (-320°F), que é próximo à temperatura mais fria que pode ser alcançada antes do zero absoluto. Isso o torna perfeito para congelar itens e processos quase instantaneamente. A simples imersão ou pulverização de alimentos, amostras biológicas ou outros produtos com vapor de nitrogênio líquido pode congelá-los em segundos.
Este poder de congelamento criogênico tornou o nitrogênio líquido indispensável para muitos usos industriais. De acordo com relatórios da indústria, o mercado global de azoto líquido foi avaliado em 13,5 mil milhões de dólares em 2021 e prevê-se que cresça de forma constante nos próximos anos.
Mergulhando profundamente na criogenia
Mas o que é exatamente o congelamento criogênico e por que o nitrogênio líquido funciona tão bem?
A criogenia envolve a liquefação de elementos gasosos como nitrogênio, oxigênio, hidrogênio e hélio por meio de resfriamento extremo. O termo "criogenia" significa literalmente o estudo da produção e dos efeitos de temperaturas muito baixas. Depois que os gases são resfriados na forma líquida, eles podem ser usados ​​para congelar instantaneamente outros materiais por meio de rápida transferência de calor.
De todos os líquidos criogênicos, o nitrogênio possui propriedades ideais para aplicações de congelamento:
- Ponto de ebulição – A -196°C, o nitrogênio líquido pode extrair grandes quantidades de calor muito rapidamente.
- Abundância – Como principal componente do ar, o nitrogênio é barato e amplamente disponível.
- Inércia – O nitrogênio não é reativo e é seguro para uso com alimentos ou amostras biológicas.
O nitrogênio líquido é criado primeiro pela liquefação do ar e depois pela destilação dos componentes individuais. Isso envolve comprimir e resfriar o ar para torná-lo líquido e, em seguida, separar os gases condensados ​​por ponto de ebulição. O nitrogênio destila primeiro em seu baixo ponto de ebulição de -196°C.
Mecânica de congelamento rápido
O nitrogênio líquido esfria os itens tão rapidamente por causa da termodinâmica básica – o ramo da física que lida com a transferência de calor.
Quando um objeto mais quente entra em contato com um mais frio, o calor é rapidamente transferido do quente para o frio até o equilíbrio. Isso leva à liquefação ou congelamento. O contato com nitrogênio líquido a -196°C suga o calor dos objetos de forma extraordinariamente rápida, causando congelamento.
Este enorme gradiente de temperatura permite que líquidos criogênicos congelem coisas 100-1000x mais rápido do que a refrigeração mecânica. Gases muito frios também são ótimos condutores térmicos, acelerando a transferência de calor.
Usos e métodos de congelamento criogênico
O congelamento criogênico ultrarrápido é usado para muitas aplicações industriais e científicas:
Processamento de alimentos – O congelamento instantâneo preserva a textura e o frescor dos alimentos. Os itens são pulverizados ou imersos em nitrogênio líquido.
Ciência laboratorial – Amostras biológicas, como culturas de células ou tecidos, podem ser rapidamente congeladas para preservação.
Transporte – Itens perecíveis são congelados para envio. Os tanques criogênicos os mantêm congelados.
Medicina – A criocirurgia utiliza nitrogênio líquido para destruir tecidos anormais sem danificar as áreas circundantes.
Tecnologia espacial – Combustíveis criogênicos como hidrogênio líquido e oxigênio são usados ​​em foguetes.
Existem dois métodos principais para congelamento criogênico:
Imersão direta – Os itens são mergulhados diretamente em um banho de nitrogênio líquido ou outro criogênio. Muito rápido, mas pode danificar alguns produtos.
Pulverização criogênica – Alimentos ou outros materiais são transportados através de uma névoa de nitrogênio líquido. O congelamento mais gradual ajuda a preservar a textura.
| Congelamento extremamente rápido
|Pode danificar itens delicados
|30 seg – 5 min
|Preserva bem a textura
|Mais lento que a imersão
|Muito lento comparado ao criogênico
|Mais rápido que o ar; sistema compacto
|Mais lento que gases líquidos
A ciência do congelamento e do derretimento
O congelamento é na verdade uma mudança física, não uma reação química. Então, como essa mudança de fase funciona em nível molecular?
Quando um líquido se torna sólido, suas moléculas perdem energia cinética suficiente para que as atrações entre elas possam prendê-las em posições fixas em uma estrutura reticulada. As moléculas não são alteradas quimicamente – elas apenas são aproximadas.
A água fornece um ótimo exemplo. Abaixo de 0°C, as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água superam as vibrações moleculares que as mantêm fluidas. Isso causa o alinhamento na estrutura cristalina ordenada do gelo.
A fusão inverte este processo à medida que as moléculas ganham energia suficiente para quebrar a sua estrutura ordenada e começar a mover-se livremente novamente. Esta mudança de fase requer absorção ou liberação de calor latente – a mudança de entalpia sem aumento de temperatura.
Curiosamente, os líquidos podem por vezes ser super-resfriados abaixo do seu ponto de congelamento normal se os locais de cristalização não estiverem disponíveis. É por isso que o nitrogênio líquido permanece fluido até -210°C! A adição de impurezas realmente promove o congelamento, fornecendo pontos de nucleação.
Os líquidos mais frios – Hélio e além
Embora o nitrogênio líquido seja extremamente frio, não é exatamente o líquido de temperatura mais baixa. Essa distinção vai para o hélio líquido.
O hélio permanece líquido apenas alguns graus acima do zero absoluto a -269°C! Nenhum outro elemento resiste à fervura a temperaturas tão baixas. Isto ocorre porque a baixa massa atômica do hélio e as fracas forças intermoleculares permitem que ele permaneça fluido mesmo quando o movimento molecular está quase congelado.
O hélio líquido tornou-se essencial para atingir as temperaturas ultrabaixas necessárias para pesquisas e aplicações de supercondutividade. Máquinas de ressonância magnética, aceleradores de partículas e computadores quânticos dependem das propriedades criogênicas do hélio.
Surpreendentemente, os cientistas criaram recentemente “hélio congelado” abaixo do zero absoluto através da manipulação de estados quânticos! Isso produz temperaturas negativas que são, na verdade, mais quentes do que temperaturas positivas infinitas. As coisas ficam muito estranhas em extremos criogênicos!
Portanto, embora o nitrogênio líquido possa parecer impressionantemente frio, existem temperaturas ainda mais baixas por aí. Mas nada supera o nitrogênio líquido prontamente disponível para congelar instantaneamente alimentos, amostras biológicas ou objetos do dia a dia – muitas vezes com efeitos de neblina impressionantes! Da próxima vez que você quiser congelar algo rapidamente, pense em nitrogênio líquido. Seu poder criogênico é apenas um derramamento!