Что произойдет с 10-метровым шаром воды комнатной температуры, если его выпустить в космос?

То кипит, то пар замерзает.

Он не замерзает напрямую, потому что вода отлично удерживает тепло, а единственный способ рассеять тепло в вакууме — это излучение, а не конвекция. Однако ограничений по давлению нет, а как известно, низкое давление заставляет воду кипеть. Процесс кипячения отводит тепло и превращает воду в тонкий туман, который затем замерзает в виде хлопьев.

Это своего рода вопрос площади поверхности по сравнению с объемом, потеря тепла происходит через площадь поверхности, но весь объем зависит от давления, поэтому его влияние сильнее.

Что случилось бы с водой?
Вода в сфере будет испытывать давление пара, соответствующее ее температуре, согласно уравнению Антуана, https://en.wikipedia.org/wiki/Antoine_equation . Пока на воду действует атмосферное давление, сфера будет сохранять свое «статическое» состояние. Однако, как только сфера окажется в вакууме, на сферу больше не будет оказываться давление окружающей среды, и давление паров воды внутри сферы немедленно вызовет кипение. Давление внутри сферы из-за давления пара воды в сфере приводит к чистой внешней силе, действующей на каждую маленькую часть сферы, и сфера немедленно наполняется маленькими пузырьками пара и в результате начинает расширяться наружу.

Температура внутри сферы
Теплота, необходимая для того, чтобы вызвать кипение воды в сфере, исходит от самой воды, поэтому температура воды в сфере сразу же начинает падать при воздействии условий вакуума. Скорость кипения пропорциональна разности температур воды в сфере и «равновесной» температуры, определяемой уравнением Антуана в условиях вакуума (чуть ниже 0 град. С). Это означает, что скорость кипения будет логарифмически уменьшаться по мере продолжения кипения и падения температуры. Этот процесс будет продолжаться, и при условии сохранения полного вакуума часть оставшейся воды в виде капель замерзнет. Образовавшийся лед затем будет медленно сублимировать и, в конце концов, полностью испарится.

Давление на человека
Человек, находящийся в сфере, сначала испытывает внешнее давление, создаваемое воздухом в воздушном шлюзе. Предполагая, что человек находится в среде с микрогравитацией, не будет значительного вклада в давление, испытываемое этим человеком, из-за количества воды, окружающей его или ее, поскольку статическое давление воды определяется формулой$P=\rho g h$, где$g$приближается к нулю. Это приводит к нежелательному эффекту для человека на повторном вдохе. Этот человек обязательно должен дышать кислородом при атмосферном давлении, а это означает, что при возникновении условий вакуума человек не будет получать кислород. Кроме того, у этого человека внутренняя температура составляет 98,6 градусов по Фаренгейту, что значительно выше «равновесной» температуры, определяемой уравнением Антуана, а это означает, что в крови человека очень быстро образуются пузырьки пара, и любые растворенные газы выходят из раствора. . Очевидно, что это состояние смертельно.

Существует вечный, но пагубный миф о том, что жидкая вода в космосе превратится в пар, если давление резко снизится. Несмотря на то, что разница в свободной энергии (между водой и сверхразреженным паром) способствовала бы испарению, испарение очень эндотермическое. Вода должна приобретать теплоту парообразования (более 500 кал/г) из окружающей среды и/или охлаждаться. Доставка тепла в космос происходит особенно медленно, потому что единственными источниками являются солнечный свет и инфракрасное излучение Земли или, в вашем случае, космической станции.

Что касается несчастливой судьбы Акваланга Астронавта посреди вашего водяного шара, то разгерметизация ангара почти сразу повлечет за собой разгерметизацию и его окружения. Поскольку ребризер не предназначен для поддержания давления, он умрет от аноксии задолго до того, как будет заключен в лед, который в конечном итоге сублимирует, оставив его труп замерзать сухим. (От одной этой мысли у меня закипает кровь, но только фигурально.)

Мое лучшее предположение:

Вода начнет равномерно кипеть. Внутри кипение замедляется, потому что затруднено расширение. После того как чуть больше половины объема воды превратилось в пузырьки, оставшаяся жидкость замерзает. Это происходит сначала вблизи поверхности. Поскольку жидкость внутри продолжает расширяться, вода будет стремительно вытекать через отверстия и трещины, превращаясь в ледяной туман. Структура льда, напоминающая швейцарский сыр, возможно, разлетающаяся на множество кусочков, остается медленно сублимирующей.