Оксид диазота (химическая формула N₂O, систематическое наименование — оксид азота(I)), в обиходе именуемый веселящим газом, представляет собой бесцветное газообразное вещество со сладковатым запахом и металлическим привкусом. При расчете параметров хранения в баллонах, процессов наполнения и транспортировки одним из главных физико-химических параметров выступает плотность веселящего газа как в нормальных газообразных условиях, так и в сжиженном агрегатном состоянии.
Плотность газа N₂O в нормальных и стандартных условиях
Молярная масса оксида диазота рассчитывается на основе атомных масс азота (14,0067) и кислорода (15,9994) и составляет ровно 44,013 г/моль. Для сравнения, средняя молярная масса сухого атмосферного воздуха равна приблизительно 28,96 г/моль. Это означает, что газообразный веселящий газ значительно (примерно в 1,52 раза) тяжелее атмосферного воздуха.
В нормальных физических условиях (температура T = 0 °C (273,15 K) и абсолютное давление P = 101,325 кПа (1 атм)) плотность газообразного N₂O рассчитывается по уравнению состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева:
При стандартной комнатной температуре (T = 20 °C (293,15 K)) и давлении 1 атмосфера объем одного моля газа увеличивается до 24,05 литра, вследствие чего плотность сухого газа снижается до 1,830 кг/м³.
Плотность сжиженного веселящего газа в баллоне
Внутри стальных баллонов под давлением около 50–60 атмосфер оксид диазота находится в двухфазном равновесном состоянии: основная масса содержимого представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, над поверхностью которой располагается насыщенный пар. Плотность жидкой фазы N₂O сильно зависит от температуры:
- При температуре -88,5 °C (точка кипения при 1 атм): плотность жидкого N₂O составляет 1226 кг/м³;
- При температуре 0 °C: плотность насыщенной жидкости снижается до 911 кг/м³;
- При комнатной температуре +20 °C: плотность сжиженного газа равна 785 кг/м³;
- Критическая температура для N₂O составляет +36,4 °C при критическом давлении 72,4 атм, где граница между жидкой и газовой фазами полностью исчезает.
Практическое значение плотности для заправки баллонов
Поскольку закись азота является сжиженным газом с высоким коэффициентом термического расширения, баллоны категорически запрещено заполнять по давлению. Заправка баллонов 2, 3.5, 5 и 10 литров осуществляется исключительно по массе (весу) на прецизионных весовых дозаторах.
Согласно нормам ГОСТ 949-73 и правилам Ростехнадзора, коэффициент наполнения для закиси азота составляет не более 0,68 кг газа на 1 литр геометрического объема сосуда:
- Баллон 2 литра: номинальный вес газа — до 1,25 кг;
- Баллон 3,5 литра: номинальный вес газа — до 2,10 кг;
- Баллон 5 литров: номинальный вес газа — до 3,10 кг;
- Баллон 10 литров: номинальный вес газа — до 6,20 кг.
Превышение нормы наполнения недопустимо, так как при нагреве баллона (например, в жаркую погоду) жидкая фаза расширяется, что при отсутствии достаточного газового буфера может привести к опасному гидравлическому удару и скачку давления выше испытательных 225 атмосфер.