Вода в вакууме (или космосе) и температура в космосе

Условно, хотя и с обоснованием, говорят, что космос начинается на линии Кармана, которая находится в 100 км от поверхности Земли, т. е. все еще довольно близко. Атмосферное давление на этой высоте падает примерно до 0,032 Па ( википедия ), что все равно намного больше, чем в открытом космосе (менее$10^{-4}$Па согласно википедии )

Фазовая диаграмма воды показывает, что при этом уровне давления вода может существовать только в твердом состоянии или в виде пара, в зависимости от температуры, но не в жидком состоянии. Фазовый переход между твердым телом и газом при таком низком давлении происходит около 200°К (около -73°С), что не так уж и холодно.

Итак, если вы бросите в космос каплю воды комнатной температуры и давления, она мгновенно начнет испаряться (кипеть) и разжиматься.

Здесь я не уверен в том, что происходит. В сети есть сообщения космонавтов , которые объясняют, что вода (на самом деле моча) сначала испаряется, а затем десублимируется в крошечные кристаллы. Но никакого объяснения действительных физических явлений, которые им движут.

Моя собственная реконструкция того, что могло произойти (до того, как я увидел эти сайты), выглядит следующим образом.

Во-первых, потеря давления в жидкости распространяется очень быстро (скорость звука?), в то время как потеря температуры (тепло) распространяется медленно (как все любители пива знают из своего холодильника). Таким образом, кипение по существу будет происходить равномерно во всей жидкости. Фазовый переход из жидкости в газ поглощает тепло, и именно это будет очень быстро охлаждать воду, так как она испаряется.

Я также предполагаю, что потеря энергии охладит воду до температуры сублимации (переход твердое тело-газ) до того, как она вся испарится, так что некоторые части жидкости могут охладиться до замерзания, прежде чем они успеют испариться. Но поскольку кипение происходит повсюду, оставшаяся вода фактически разбивается на крошечные фрагменты, которые кристаллизуются и, возможно, также собирают часть пара для роста.

В любом случае, у вас, видимо, снег .

Но охлаждение происходит за счет испарения , которое происходит очень быстро, гораздо больше, чем за счет излучения, которое почти не успевает произойти.

Численная оценка

Мы анализируем, что становится с доступным теплом, чтобы понять, замерзает ли вода напрямую. Это очень грубое приближение, так как используемые цифры на самом деле несколько меняются в зависимости от температуры, но я не могу найти фактические значения рассматриваемых экстремальных температур и давлений.

Удельная скрытая теплота испарения воды 2270 кДж/кг. Удельная теплоемкость воды составляет 4,2 кДж/кг·К. Следовательно, при испарении 1 грамма воды можно охладить 2270/4,2 = 540 граммов воды на 1°К или 5,4 грамма на 100°К, что соответствует разнице между комнатной температурой и температурой воды ( температура де)сублимации в космосе. Таким образом, моя гипотеза о том, что для испарения всей воды недостаточно тепла, верна, поскольку только одна шестая часть воды может быть испарена с помощью имеющегося тепла.

Из 5,4 г воды 1 г испарится, хотя может охладиться чуть выше температуры сублимации 200°К, в то время как оставшиеся 4,4 г будут охлаждаться до температуры сублимации без испарения. Остальные 4,4 г не могут оставаться жидкими, следовательно, одна часть замерзает, высвобождая некоторое количество скрытой теплоты для испарения другой части. Соотношение между этими двумя частями обратно пропорционально удельной скрытой теплоте замерзания и испарения.

Скрытая теплота замерзания составляет 334 кДж/кг. Сумма обеих скрытых теплот равна 2270+334=2604 кДж/кг. Эти цифры очень приблизительны. В качестве проверки работоспособности скрытая теплота сублимации воды составляет примерно 2850 кДж/кг ( википедия ), что показывает, что цифры, вероятно, верны в пределах 10%-ного приближения.

Соотношение делит оставшиеся 4,4 г примерно на 3,8 г, которые замерзают, и 0,6 г, которые испаряются, что в сумме дает 1,6 г испаряемой воды.

Итак, пропуская беглый расчет, получаем, что около 70% воды замерзает в какой-то снег, а остальные 30% испаряются . И все это происходит довольно быстро.

На самом деле меня беспокоил этот отчет об историях астронавтов о кипячении воды, а затем о десублимации, потому что это оставило бы нам весь жар, от которого нужно было очень быстро избавиться. Как? У кого-нибудь есть лучший аккаунт?

Последнее замечание: всегда будет какая-то часть воды, которая замерзнет. Сначала я думал, что очень горячая вода может дать достаточно тепла, чтобы полностью испариться без низкого давления. Критическая точка жидкой воды находится при температуре 650°К (с гораздо более высоким давлением, чем вы хотите создать в космосе: 22 МПа), что всего на 450° выше температуры сублимации. Но вода должна быть охлаждена на 540°, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для полного испарения. Таким образом, температура воды упадет до порога сублимации, прежде чем будет подведено достаточно тепла, чтобы полностью испарить ее. Хотя, возможно, это очень упрощенный анализ. Остальное оставляю специалистам.

Передача тепла происходит тремя способами: конвекцией, теплопроводностью и излучением. В вакууме происходит только излучение, потому что, в отличие от двух других методов, это единственный метод, для которого не требуется материальная среда.

Температура воды не падает на земле (уровень моря), потому что, излучая тепло, вода получает это тепло обратно за счет излучения, падающего на нее от окружающего вещества, включая окружающий нас воздух, приводя ее в состояние тепловое равновесие с окружающей средой.

В вакууме это тепло, потерянное из-за излучения, не будет восполнено, поэтому вода будет терять это тепло с гораздо большей скоростью и замерзать.

По поводу вашего вопроса: "так вода при нормальном давлении была бы круче??", нет, разница только в том, что в вакууме температура воды более чем достаточна для закипания воды из-за отсутствия давления.

Однако на уровне моря должно быть «горячее» ~ (100 ° C) из-за более высокого давления. Он будет использовать это тепло для испарения, станет немного холоднее из-за фазового перехода, а затем пар будет постепенно охлаждаться, чтобы соответствовать температуре окружающей среды, с помощью трех методов, которые я указал выше. Проверьте это для получения более подробной информации о методах HT: теплопередача .

Относительно вашего второго вопроса; о нагреве вакуумной трубки. Что произойдет, так это то, что сам материал трубки будет нагреваться. Однако если где-то внутри этой трубки поместить другой объект, он будет получать тепло путем излучения (так же, как тепло доходит до нас от солнца) от внутренней стенки трубки и сам начнет излучать тепло (электромагнитные волны).

Этот объект перестанет нагреваться, когда излучаемое им тепло сравняется с теплом, которое он получает от внутренней стенки этой трубки.

Обратите внимание, что вы не указали никаких размеров или количества воды или трубки, поэтому мой ответ на оба эксперимента является общим.

Ваше объяснение верно. Охлаждение происходит потому, что каждый испаряющийся моль воды удаляет одну молярную скрытую теплоту парообразования .

Скрытая теплота испарения не зависит от давления или, по крайней мере, очень слабо зависит от давления, поэтому испарение охлаждает воду до нуля градусов по Цельсию, а затем замораживает ее.

Кажется, что в большинстве мест, которые я читал (в Интернете), люди называют разгерметизацию воды (в вакууме или космосе) «кипением», но я очень редко видел, чтобы это называлось дегазацией внутренних вод. растворенные газы (азот, кислород, CO2 или любые другие газы, которые могут использоваться в космическом аппарате). Однако, в отличие от традиционного кипячения, при котором молекулы пара (H2O) высвобождаются из воды, помещение воды в вакуумную камеру вызывает видимость кипения воды, но при повторении этого эксперимента (повторном воздействии вакуума на ту же воду) «кипение» » событие значительно снижается, что дает результат заморозки без особого нарушения подачи воды. Прошло несколько лет с тех пор, как я был свидетелем повторения этого эксперимента в лабораторном вакуумном колпаке. но лучшим объяснением в то время было то, что количество растворенных газов было намного меньше в образце воды, когда тот же образец был относительно быстро повторно подвергнут воздействию вакуума. Чего я не помню, так это того, требовалось ли больше времени для замерзания воды при последующем воздействии вакуума или нет. Если бы последующее воздействие вакуума потребовало больше времени для замерзания воды, то объяснение оставалось бы в силе, что температура воды была снижена в результате «кипения», приближая воду к замерзанию за счет этого снижения температуры. Тем не менее, из этого, по-видимому, следует, что вода замерзает в результате уменьшения давления газа внутри по мере выхода заряженных частиц вещества (газов) из воды, а энергия движения молекул воды уменьшается из-за воздействия на нее вакуума. , и это позволяет формировать кристаллы льда, которые дают либо твердое состояние в стакане или блюде (связанное гравитацией), либо состояние, подобное снегу, подвешенное в пространстве. Кроме того, как отмечалось в наблюдениях космонавта, снежные кристаллы могут образовываться из-за точек зародышеобразования внутри жидкости из-за различных белков, обнаруженных в моче.

Фазовый сдвиг (сублимация) воды из льда в пар происходит в относительно узком окне. Если бы образец льда мог оставаться при температуре выше определенного уровня, он весь испарился бы в космическом вакууме. Испарение и низкие температуры космоса фактически охлаждают образец ниже окна фазового сдвига, таким образом, он остается льдом. При чуть ниже точки замерзания при постоянном давлении (около 500 мТорр) процесс испарения/сублимации фактически охлаждает образец за окном и останавливает процесс сублимации, поскольку система пытается стабилизироваться. В этой системе, предоставленной самой себе, около 30% образца будет превращено в пар, а остальное останется в виде льда, когда система стабилизируется. Чтобы процесс продолжался, необходимо повысить температуру или давление. В космосе ОБА снижаются и очень быстро останавливают процесс.