液体窒素の密度は？kg/m3やg/cm3の数値と気化後の体積変化も解説

液体窒素は、産業や医療・研究など幅広い分野で活用されている極低温の物質です。

しかし「液体窒素の密度はどのくらいなのか？」「気化すると体積がどう変わるのか？」といった疑問を持つ方も多いのではないでしょうか。

本記事では、液体窒素の密度をkg/m³およびg/cm³の単位で詳しく解説するとともに、気化後の体積変化についても分かりやすく説明していきます。

液体窒素の物性を正確に理解することは、安全な取り扱いや効果的な活用につながる重要な知識です。

ぜひ最後までご覧ください。

液体窒素の密度はkg/m³で約808、g/cm³で約0.808

それではまず、液体窒素の密度の基本的な数値について解説していきます。

液体窒素の密度は、標準的な沸点である－196℃（77K）における値として、約808 kg/m³、あるいは約0.808 g/cm³とされています。

この数値は、液体窒素を取り扱う際の基準として広く使われているものです。

水の密度が1.000 g/cm³（1000 kg/m³）であることと比べると、液体窒素は水よりもやや軽い物質であることが分かります。

密度とは、単位体積あたりの質量を表す物理量であり、物質の種類や状態・温度によって大きく異なります。

液体窒素の密度は温度によって変化するため、条件を明確にすることが大切です。

下の表に、代表的な条件と密度の目安をまとめました。

温度（℃）	温度（K）	密度（kg/m³）	密度（g/cm³）
－210	63 K（融点付近）	約867	約0.867
－196	77 K（沸点）	約808	約0.808
－190	83 K	約780	約0.780

このように、温度が低いほど密度は高くなる傾向があります。

液体窒素は極低温であるため、温度管理が密度の正確な把握に欠かせない要素となっています。

また、圧力条件によっても密度はわずかに変動するため、精密な計算が必要な場合は条件の明示が重要です。

液体窒素の基本的な物性と窒素という物質の特徴

続いては、液体窒素の基本的な物性と、窒素という元素・物質の特徴を確認していきます。

窒素（N₂）は、地球の大気の約78%を占める最も豊富な気体成分です。

常温・常圧では無色・無臭の気体として存在していますが、極低温に冷却することで液体へと変化します。

液体窒素の沸点は－195.79℃（77.36 K）であり、融点は－210℃（63 K）付近とされています。

窒素の基本情報と物理定数

窒素の分子量は28.014 g/molで、二原子分子（N₂）として安定した構造を持ちます。

化学的に非常に不活性な物質であり、多くの物質と反応しにくい性質を持つのが特徴です。

下の表に窒素の基本的な物理定数をまとめています。

物性項目	数値
分子量	28.014 g/mol
沸点	－195.79℃（77.36 K）
融点	－210.00℃（63.15 K）
液体密度（沸点時）	808 kg/m³（0.808 g/cm³）
気体密度（0℃、1気圧）	1.2506 kg/m³
臨界温度	－146.96℃（126.19 K）
臨界圧力	3.39 MPa

液体窒素の色と外観の特徴

液体窒素は無色透明の液体であり、見た目は水に近い印象を持つ方も多いです。

しかし、常温の空気に触れると激しく蒸発（気化）し、白い霧のような煙を発生させます。

この白い霧は液体窒素そのものではなく、空気中の水蒸気が冷却されて凝結したものです。

液体窒素自体は透明であるため、容器の外からでは気体との区別がつきにくい場面もあります。

液体窒素が使われる主な分野

液体窒素はその低温特性を活かし、非常に幅広い分野で活用されています。

主な用途としては、以下のようなものが挙げられます。

医療・美容分野では、冷凍治療（凍結療法）や細胞・生体試料の保存に使われています。

食品業界では、急速冷凍や低温粉砕などに活用されることも多いです。

また、半導体製造や金属加工、超伝導材料の冷却にも不可欠な存在となっています。

研究機関では、各種実験や低温材料試験における冷媒としての役割を担っています。

液体窒素が気化したときの体積変化と膨張比

続いては、液体窒素が気化（蒸発）した際の体積変化について確認していきます。

液体窒素を扱う上で最も重要な知識の一つが、気化による体積の急激な膨張です。

液体窒素は気化すると体積が約694倍にまで膨張するとされており、この膨張比は取り扱い上の安全性に直結します。

膨張比の計算方法

膨張比は、液体と気体それぞれの密度を用いて計算できます。

このように、液体窒素の密度（808 kg/m³）と気体窒素の密度（約1.165 kg/m³）の比から、約694倍という膨張比が導かれます。

気体の密度は温度や圧力によって変動するため、計算に用いる条件によって膨張比の数値も若干変わる点に注意が必要です。

密閉容器での気化が危険な理由

液体窒素が密閉された容器の中で気化した場合、容器内部の圧力が急激に上昇します。

膨張比が約694倍に達することを考えれば、その圧力上昇がいかに大きなものかが想像できるでしょう。

この現象が原因となる爆発事故は、実際に世界各地で報告されています。

液体窒素専用の容器（デュワー瓶）は、内部で発生したガスを逃がすための安全弁を備えており、密閉状態での保存は設計上も避けられるようになっています。

液体窒素を扱う際は、必ず適切な容器を使用し、換気の良い場所で作業することが大切です。

酸素濃度の低下（窒息リスク）にも注意

液体窒素が気化すると大量の窒素ガスが発生し、室内の酸素濃度を急激に低下させる可能性があります。

通常の空気中の酸素濃度は約21%ですが、18%を下回ると酸素欠乏状態と判断されます。

狭い空間や換気の悪い場所で液体窒素が大量に気化した場合、窒息事故につながる危険性があります。

液体窒素を使用する場所には、酸素濃度計の設置や十分な換気設備の確保が求められます。

液体窒素の密度に関連する単位換算と実用的な計算例

続いては、液体窒素の密度に関連する単位換算と、実際の場面で役立つ計算例を確認していきます。

現場では「液体窒素が何kg分あるか」「何リットル分か」を計算する場面が頻繁に訪れます。

密度を活用した換算方法を理解しておくことで、より正確な計算が可能になります。

kg/m³とg/cm³の換算

密度の単位換算は、以下の関係式を使います。

単位の換算を正確に行うことで、容積から質量、質量から容積への変換がスムーズに行えます。

液体窒素の質量から体積を求める計算例

実際の現場では「10 kgの液体窒素は何リットルか？」という計算が必要になる場面もあるでしょう。

逆に「10リットルの液体窒素は何kgか？」を求める場合は以下の通りです。

気化後のガス体積を求める計算例

液体窒素が完全に気化した場合、発生する窒素ガスの体積も計算できます。

この計算例からも、液体窒素の気化による体積変化の大きさが実感できるでしょう。

少量の液体窒素でも、気化すると非常に大きな体積のガスになることを常に念頭に置いておくことが重要です。

まとめ

本記事では、「液体窒素の密度はkg/m³やg/cm³の数値と気化後の体積変化も解説」というテーマのもと、液体窒素の基本的な密度数値から気化膨張のメカニズム、実用的な計算方法まで幅広く解説しました。

液体窒素の密度は、沸点（－196℃）において約808 kg/m³（0.808 g/cm³）という値が基準となります。

気化すると約694倍もの体積に膨張するため、密閉空間での取り扱いや酸素濃度の低下には細心の注意が必要です。

密度の数値を正しく理解し、質量・体積・気化ガス量の換算をスムーズに行えるようになることが、液体窒素を安全かつ効果的に活用するための基本となります。

液体窒素を扱う機会がある方は、ぜひ本記事の内容を日常の業務や研究活動に役立ててください。