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Bei 0 °C und 1013,25 mbar beträgt die Dichte von Stickstoff N₂ 1,2506 kg/m³. Dieser Wert gilt für gasförmigen Stickstoff im Referenzzustand, nicht für Flüssigstickstoff, dessen Dichte am Siedepunkt bei etwa 0,808 kg/L liegt. Genau diese Zustandsänderung entscheidet darüber, ob eine Berechnung für Labor, Gasflasche, Kryotank oder Transport korrekt ist.
Wer nur nach „dichte von n2“ sucht, findet meist die eine Zahl für Normalbedingungen. Für die Praxis reicht sie selten aus. Ein Gasvolumen bei Umgebungstemperatur, ein komprimierter Zylinder und ein vakuumisolierter Behälter mit flüssigem Stickstoff beschreiben drei unterschiedliche Rechenfälle. Die folgenden Werte zeigen, welcher Ansatz jeweils belastbar ist und wo einfache Umrechnungen zu falschen Ergebnissen führen.
Der Referenzwert für gasförmigen Stickstoff beträgt 1,2506 kg/m³ bei 0 °C und 1013,25 mbar. Eine historische deutsche technische Tabelle aus dem früheren TGL-System nennt unter einem vergleichbaren Normzustand 1,2505 kg/m³. Die langfristige Übereinstimmung zeigt, dass dieser Wert in deutschen Gasdatentabellen stabil verankert ist, wie die deutsche Übersicht zu Stickstoffdaten dokumentiert.
Bei wärmerem Gas sinkt die Dichte. Bei 25 °C und 1013,25 mbar liegt sie rechnerisch bei etwa 1,1653 kg/m³. Das ist kein Widerspruch zum Normwert, sondern die direkte Folge der Temperatur. Flüssiger Stickstoff ist dagegen am Siedepunkt bei ungefähr −195,79 °C rund 808 kg/m³ dicht. Gas und Flüssigkeit unterscheiden sich damit um ungefähr den Faktor 650. Für eine Tankauslegung ist es deshalb falsch, einen Gaswert aus einer Labortabelle zu übernehmen.
Für technische Rechnungen müssen Sie immer drei Angaben neben der Dichte notieren:
Die molare Masse von N₂ beträgt 28,0134 g/mol. Dadurch lässt sich die Gasdichte mit dem idealen Gasgesetz zuverlässig abschätzen:
ρ = p · M / (R · T)
Dabei steht ρ für die Dichte, p für den absoluten Druck, M für die molare Masse, R für die universelle Gaskonstante und T für die absolute Temperatur. Für viele Routineaufgaben ist diese Gleichung ausreichend, solange Druck und Temperatur nicht in Bereiche führen, in denen reale Gasabweichungen relevant werden.
Für eine Standard-Volumenangabe bei 0 °C verwenden Sie 1,2506 kg/m³. Für eine warme Laborleitung oder eine Entlüftung bei Umgebungstemperatur brauchen Sie einen temperaturangepassten Wert. Für einen Flüssigstickstoffbehälter rechnen Sie mit ungefähr 0,808 kg/L, nicht mit der Gasdichte.
Die nächsten Abschnitte behandeln Druck- und Temperatureinflüsse, eine Gastabelle, praktische Umrechnungen und die Dichtebereiche, die bei der Dimensionierung kryogener Behälter verwendet werden.
Für gasförmigen Stickstoff gilt als erste Näherung:
ρ = p · M / (R · T)
In dieser Beziehung wird R = 8,31446 J/(mol·K) verwendet, während die molare Masse von N₂ 28,0134 g/mol beträgt. Die Konsequenz ist unmittelbar: Verdoppelt sich der absolute Druck bei gleichbleibender Temperatur, verdoppelt sich auch die ideale Dichte. Erhöht sich die absolute Temperatur, sinkt die Dichte im gleichen Verhältnis.
Bei 15 °C und 1013,25 mbar ergibt sich eine Dichte von ungefähr 1,1855 kg/m³. Ein Temperaturunterschied von 50 K verändert die Dichte bei konstantem Druck um ungefähr 14 %. Das ist für Durchflussmessungen, Lüftungsberechnungen und die Bewertung von Gasverlusten erheblich. Wer einen Wert bei 0 °C in eine Rechnung für warme Prozessluft einsetzt, überschätzt die Masse pro tatsächlichem Kubikmeter.
Eine ausführlichere Darstellung der Grundbeziehung finden Sie in der Erläuterung zur Dichte eines Gases. Für die tägliche Anlagenpraxis reicht die ideale Gleichung oft aus, aber nur dann, wenn der Referenzzustand sauber definiert ist.
Nehmen wir Stickstoff bei 20 °C und erhöhen den Druck von 1 bar auf 200 bar. Bei 1 bar beträgt die ideale Dichte ungefähr 1,1641 kg/m³. Bei 200 bar steigt sie unter der idealen Annahme auf etwa 232,8 kg/m³.
Diese Rechnung zeigt, warum ein Zylinder nicht einfach nach seinem geometrischen Innenvolumen bewertet werden darf. Der Behälter enthält bei hohem Druck deutlich mehr Masse, obwohl sein Wasserinhalt unverändert bleibt.
Praktische Regel: Verwenden Sie für Druckberechnungen immer den absoluten Druck und prüfen Sie bei hohen Drücken, ob ein Realgasmodell erforderlich ist.
Oberhalb von 50 bar und unterhalb von ungefähr −150 °C weicht Stickstoff spürbar vom idealen Verhalten ab. Dann muss der Kompressibilitätsfaktor Z berücksichtigt werden. Für hochpräzise Auslegungen sind Datensätze aus NIST REFPROP oder GERG-2008 geeigneter als eine reine Idealgasrechnung. Lieferantendatenblätter bleiben für das konkrete Produkt und den tatsächlichen Betriebszustand ebenfalls wichtig.
Die folgende Tabelle nimmt einen Druck von 1013,25 mbar an. Die Werte basieren auf dem idealen Gasgesetz mit Z ≈ 1. Dichte in kg/m³ und g/L ist numerisch gleichwertig, weil 1 kg/m³ genau 1 g/L entspricht. Das molare Volumen zeigt, wie viel Raum ein Mol Stickstoff bei der jeweiligen Temperatur einnimmt.
| Temperatur | Dichte kg/m³ | Dichte g/L | Molares Volumen L/mol | Abweichung vom STP-Wert 1,2506 kg/m³ |
|---|---|---|---|---|
| −50 °C | 1,514 | 1,514 | 18,51 | +21,1 % |
| −20 °C | 1,347 | 1,347 | 20,81 | +7,7 % |
| 0 °C | 1,2506 | 1,2506 | 22,414 | 0 % |
| 15 °C | 1,1855 | 1,1855 | 23,65 | −5,2 % |
| 20 °C | 1,1653 | 1,1653 | 24,00 | −6,8 % |
| 25 °C | 1,1457 | 1,1457 | 24,41 | −8,4 % |
| 40 °C | 1,0901 | 1,0901 | 25,65 | −12,8 % |
| 60 °C | 1,0208 | 1,0208 | 27,39 | −18,4 % |
| 100 °C | 0,9567 | 0,9567 | 29,25 | −23,5 % |
Die Zahlen für 0 °C und 1013,25 mbar entsprechen dem in deutschen technischen Quellen verwendeten Referenzwert. Für industrielle Gasdokumentation nennt Messer für Stickstoff ebenfalls rund 1,250 kg/m³ bei 0 °C und 1,013 bar sowie eine relative Dichte zu trockener Luft von 0,9671.
Die Abweichung vom STP-Wert ist eine Orientierung für die Größenordnung des Fehlers. Bei einer kleinen Laborflasche kann sie unkritisch sein, bei einer Massenbilanz oder einem Durchflussregler aber die Entscheidung beeinflussen. Die Tabelle beschreibt ausschließlich Gas bei annähernd atmosphärischem Druck. Sie ist keine Flüssigstickstofftabelle und ersetzt keine Druckdaten für Hochdruckzylinder.
Für Temperaturen unter −50 °C oder über 100 °C sollten Sie REFPROP oder die technischen Daten des Lieferanten verwenden. Besonders nahe am Kondensationsbereich wird die Idealgasnäherung unzuverlässig.
Die beiden Grundgleichungen sind einfach:
m = ρ · V
und
V = m / ρ
Dabei ist m die Masse, ρ die Dichte und V das Volumen. Der kritische Punkt ist nicht die Algebra, sondern die Wahl von Druck und Temperatur. Der Referenzwert 1,2506 kg/m³ bei 0 °C und 1013,25 mbar darf nur für ein Volumen unter genau diesem Bezugszustand verwendet werden.
Ein Zylinder mit 50 L Wasserinhalt und 200 bar enthält bei idealer Betrachtung ein atmosphärisches Äquivalent von ungefähr 10.000 L, also 10 m³, bei gleichem Temperaturbezug. Mit der Dichte von etwa 1,2506 kg/m³ bei 0 °C ergibt sich daraus eine theoretische Stickstoffmasse von rund 12,5 kg.
| Größe | Formel | Wert für 50-L-Zylinder bei 200 bar |
|---|---|---|
| Gasvolumen bei 1 bar | 50 L · 200 | 10.000 L |
| Gasvolumen in m³ | 10.000 L / 1.000 | 10 m³ |
| Masse bei STP | 1,2506 kg/m³ · 10 m³ | etwa 12,5 kg |
| Molares Volumen bei STP | festgelegter Referenzwert | 22,414 L/mol |
| Molare Masse | N₂ | 28,014 g/mol |
Das molare Volumen von 22,414 L/mol und die molare Masse von 28,014 g/mol erlauben eine zweite Kontrolle. Teilen Sie das Normvolumen durch das molare Volumen, erhalten Sie die Stoffmenge. Die Multiplikation mit der molaren Masse muss anschließend ungefähr dieselbe Masse liefern.
Eine passende Einführung in die Stoffmengenumrechnung bietet die Erklärung zur molaren Masse von N₂. In der Praxis sollten Sie zusätzlich den Füllstand, die tatsächliche Zylindertemperatur und den Restdruck berücksichtigen.
Für einen bekannten Standardvolumenstrom gilt:
ṁ = ρ · Q̇
Ein Durchfluss von 1 m³/h entspricht bei Verwendung von 1,2506 kg/m³ einer theoretischen Massenrate von 1,2506 kg/h. Diese Aussage gilt nur, wenn der Volumenstrom auf denselben Referenzzustand bezogen ist. Ein tatsächlicher Rohrvolumenstrom bei höherer Temperatur oder anderem Druck braucht zuerst eine Zustandsumrechnung.
Unter ungefähr 10 bar ist die Idealgasnäherung für viele Gasphasenaufgaben brauchbar. Bei höheren Drücken sollte der Kompressibilitätsfaktor Z eingesetzt werden, um Abweichungen im Bereich von etwa 1 bis 2 % nicht unbemerkt in die Bilanz zu übernehmen.
Beim Abkühlen und Verflüssigen springt die relevante Dichte von ungefähr einem Kilogramm pro Kubikmeter auf mehrere hundert Kilogramm pro Kubikmeter. Flüssiger Stickstoff liegt am atmosphärischen Siedepunkt bei ungefähr −196 °C bei rund 0,808 kg/L, also 808 kg/m³. Deutsche technische Produktdaten nennen für diesen Bereich etwa 0,808 bis 0,81 kg/L.
Die technischen Daten zu tiefgekühltem Flüssigstickstoff zeigen außerdem, dass die Flüssigkeitsdichte nicht konstant bleibt. Sie hängt von Temperatur und Sättigungsdruck ab. In der Nähe des kritischen Bereichs wird die Flüssigkeit deutlich weniger dicht, während die Trennung zwischen Flüssigkeit und Gas verschwindet.
| Temperatur | Sättigungsdruck | Dichte von LN₂ |
|---|---|---|
| −195,79 °C | etwa 1 bar | etwa 808 kg/m³ |
| −193 °C | etwa 2 bar | etwa 807 kg/m³ |
| −147 °C | etwa 33,5 bar | etwa 729 kg/m³ |
Für die übliche Auslegung vakuumisolierter Lagertanks ist ein Bereich nahe 800 bis 810 kg/m³ der geeignete Ansatz, sofern der Lieferant keinen anderen Betriebszustand vorgibt. Die Daten zur Dichte von flüssigem Stickstoff zeigen, weshalb Preisangaben pro Kilogramm und Füllmengen in Litern nicht ohne Zustandsbezug verglichen werden dürfen.
Beim Befüllen eines kalten Behälters und beim späteren Erwärmen verändert sich das Flüssigkeitsvolumen. Flüssigstickstoff darf deshalb nicht bis zum geometrischen Maximum eingefüllt werden. Der verbleibende Gasraum, die sogenannte Ullage, nimmt Dampf auf und begrenzt den Druckanstieg.
Subgekühlter Stickstoff in einem vakuumisolierten Tank liegt typischerweise nahe dem Siedepunkt. Für genaue Auslegungen werden Dichte und Zustandsgrößen aus Druck-Temperatur-Tabellen abgeleitet, etwa aus NIST REFPROP oder IIR-Daten. Eine direkte Messung der Flüssigkeitsdichte ist im Anlagenbetrieb selten der praktikable Weg.
Der Dichtewert für LN₂ ist eine Zustandsgröße. Er gehört immer zusammen mit Temperatur und Sättigungsdruck in die Dokumentation.
Bei 0 °C und 1013,25 mbar beträgt die Dichte trockener Luft 1,293 kg/m³, die von N₂ 1,2506 kg/m³ und die von O₂ 1,429 kg/m³. Daraus ergeben sich relative Dichten zur Luft von 0,967 für N₂ und 1,105 für O₂. Die technischen Angaben für Stickstoff und seine relative Dichte sind auch im deutschen Stickstoff-Sicherheitsdatenblatt von Air Liquide relevant für die Beurteilung von Leckage und Lüftung.
| Fluid | Gasdichte bei STP kg/m³ | Flüssigkeitsdichte am Siedepunkt kg/m³ | Relative Dichte zur Luft |
|---|---|---|---|
| Luft | 1,293 | nicht angesetzt | 1,000 |
| N₂ | 1,2506 | etwa 808 | 0,967 |
| O₂ | 1,429 | etwa 1.141 | 1,105 |
Die relative Dichte von N₂ zur Luft ist nahe bei 1. Das bedeutet nicht, dass sich Stickstoff in jedem Szenario gleich verteilt. Kalter Dampf aus einer LN₂-Leckage erwärmt sich erst noch und kann sich zunächst bodennah sammeln. In einem schlecht belüfteten oder engen Raum kann er Sauerstoff verdrängen. Deshalb müssen Lüftung und Sauerstoffüberwachung zur konkreten Raumgeometrie und Freisetzung passen.
Warmer Stickstoff aus einer Entlüftungsleitung ist dagegen etwas leichter als die Umgebungsluft und kann aufsteigen. Die Aussage „Stickstoff ist leichter als Luft“ ist daher nur für den definierten Temperaturzustand brauchbar. Für eine Flüssigstickstoffleckage reicht die Gasdichte bei Raumtemperatur nicht als alleinige Sicherheitsgrundlage.
Auch bei Flüssigkeiten ist der Unterschied groß. Flüssiger Sauerstoff liegt bei ungefähr 1.141 kg/m³, Flüssigstickstoff bei etwa 808 kg/m³. Bei gleichem Behältervolumen enthält ein LN₂-Behälter deshalb deutlich weniger Flüssigkeitsmasse als ein vergleichbarer LOX-Behälter. Das beeinflusst Nutzlast, Behälterauswahl und Transportplanung.
Bei einem vakuumisolierten LN₂-Behälter wird die nutzbare Flüssigkeitsmenge direkt aus Volumen und Dichte bestimmt:
Masse = Dichte · Volumen
Mit 808 kg/m³ als Rechenwert ergibt ein nutzbares Flüssigkeitsvolumen von 1 m³ ungefähr 808 kg Stickstoff. Für kleinere Behälter rechnen Sie in Litern mit ungefähr 0,808 kg pro Liter. Der tatsächliche Wert hängt vom Druck, der Temperatur, dem Füllstand und der Datenbasis des Herstellers ab.
Für die Behälterauslegung zählt nicht nur die nominelle Kapazität. Sie müssen Sicherheitsraum, zulässige Füllhöhe, Druckregelung und die erwartete Verweilzeit berücksichtigen. Flüssigstickstoff erwärmt sich trotz Vakuumisolation langsam, wodurch ein Teil verdampft und über das Drucksystem abgeführt wird.
Die Masse eines Verdampfungsverlusts berechnen Sie aus:
Verdampfungsmasse pro Tag = Verdampfungsvolumen pro Tag · Flüssigkeitsdichte
Ein Datenblattwert in Litern pro Tag muss mit der Dichte am tatsächlichen Flüssigkeitszustand multipliziert werden. Das funktioniert nur, wenn klar ist, ob der Hersteller den Verlust als Flüssigkeitsvolumen oder als Gasvolumen angibt. Die Air-Liquide-Informationen zu Stickstoff nennen außerdem, dass 1 Liter Flüssigstickstoff ungefähr 695 Liter gasförmigen Stickstoff bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck erzeugt. Diese Beziehung ist für die Abschätzung der Gasmenge nützlich, ersetzt aber keine konkrete Druck-Temperatur-Bilanz.
Bei einem komprimierten 50-L-Zylinder bei 200 bar verwenden Sie den Gaszustand, nicht den Flüssigkeitswert. Für einen Restinhalt bei 15 °C kann eine Dichte von ungefähr 178,6 kg/m³ angesetzt werden, wenn der entsprechende tatsächliche Gasdruck in der Bilanz berücksichtigt wird. Der Wasserinhalt allein sagt nicht, wie viel Masse vorhanden ist.
Für die Beförderung müssen Sie außerdem Produktklassifizierung, Behälterzulassung, Füllgrenzen, Kennzeichnung und Druckentlastung zusammen prüfen. Die Dichte bei etwa −196 °C ist für Flüssigstickstoffbehälter wichtig, während bei Druckgasen die Dichte des komprimierten Gases zählt. Füllverhältnisse, darunter eine maximale Flüssigkeitsfüllung von 95 %, dürfen nicht isoliert aus einer Dichtetabelle abgeleitet werden. Sie gehören zur jeweiligen technischen und rechtlichen Behälterauslegung.
Der passende Referenzwert lässt sich so auswählen:
Für die tägliche Arbeit genügt meist eine kleine Referenzkarte. Entscheidend ist, dass Sie den Wert nicht ohne seinen Zustand in eine Tabelle oder ein Bestellblatt kopieren.
| Zustand und Bedingung | Temperatur | Druck | Dichte | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|---|
| Gas bei STP | 0 °C | 1013,25 mbar | 1,2506 kg/m³ | Normvolumen und Grundreferenz |
| Gas bei 20 °C | 20 °C | 1013,25 mbar | etwa 1,1653 kg/m³ | Labor, Raumluft und Leitungen |
| Gas bei 200 bar und 15 °C | 15 °C | 200 bar | abhängig vom Realgasmodell, etwa 244 kg/m³ als Hochdruckreferenz | Zylinder- und Druckgasrechnung |
| Flüssigkeit am Siedepunkt | etwa −195,8 °C | etwa 1 atm | etwa 808 kg/m³ | Kryotank und Füllmassen |
| Gesättigte Flüssigkeit | etwa −196 °C | 1013 mbar | etwa 0,806 kg/L | Einkauf, Dosierung und Volumenumrechnung |
Die Grundformel bleibt:
ρ = p · M / (R · T)
Für N₂ setzen Sie M = 28,014 g/mol beziehungsweise 28,0134 g/mol in der präziseren Stoffwertrechnung ein. Für Lüftungsprüfungen zählt der thermische Zustand des austretenden Gases. Für Zylinderreste zählt der Druck- und Temperaturzustand im Behälter. Für die Auslegung eines Kryobehälters zählt die Flüssigkeitsdichte, nicht der Gaswert.
Die DGUV-GESTIS-Daten zu Stickstoff führen für den deutschen Arbeitsschutz den Referenzwert von 1,2504 kg/m³ bei 0 °C und 1013 mbar. Andere technische Quellen nennen bei 15 °C und 1 bar ungefähr 1,17 kg/m³. Diese Unterschiede sind klein genug, um plausibel auszusehen, aber groß genug, um bei Masse-, Durchfluss- und Lüftungsberechnungen die falsche Bezugsbasis zu verschleiern.
Beim Übergang zum Umweltkontext müssen Sie N₂ außerdem von NO₂ trennen. Die UBA-Informationen zur Stickstoffdioxid-Belastung behandeln Luftqualitätsmessungen für Stickstoffdioxid, nicht die physikalische Dichte von molekularem Stickstoff. Wer nach „Stickstoffbelastung“ sucht, kann deshalb leicht bei einem anderen Stoff und einer anderen Fragestellung landen.
Cryonos GmbH unterstützt Labore, Biobanken und Industrienutzer mit Stickstoffspeicher- und Transportbehältern, Zelltransporteinheiten, Sicherheitsausrüstung und Behälterverwaltung für kryogene Anwendungen. Besuchen Sie Cryonos GmbH, wenn Sie die berechnete LN₂-Dichte in eine passende Lager-, Transport- oder Handhabungslösung übertragen möchten.
