при какой температуре закипит вода в космосе
Вода в космосе вскипит или замёрзнет?
Механизм здесь такой. Посмотрите на фазовую диаграмму воды. Температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления. При комнатной температуре вода кипит, если давление снизить примерно до 0.07 атм. То есть, если температура воды комнатная, то при 0.07 атм вода начинает кипеть. При этом в парообразное состояние переходят молекулы воды с самой высокой энергией. За счёт этого температура воды понижается. Если давление поддерживать постоянным, то в конце концов вода охладится до температуры, когда она перестанет кипеть.
Эти рассуждения, конечно, не учитывают всяких тонкостей типа скрытой энергии фазовых переходов, перераспределение молекул по скоростям при охлаждении, однако думаю, что качественно они правильно описывают процесс.
В космосе давление существенно ниже, однако не равно нулю. А кривая раздела льда и пара на фазовой диаграмме при снижении давления идёт в точку (T = 0; P = 0). То есть при любом сколь угодно малом (но ненулевом) давлении температура сублимации льда ненулевая. Это значит, что подавляющая часть воды испарится, но какая-то микроскопическая её часть превратится в лёд.
Тут есть ещё один нюанс. Космос пронизан излучением с температурой примерно 3 K. Это значит что охладиться ниже 3 K вода (лёд) не сможет. Поэтому итог процесса зависит от давления сублимации льда при температуре 3 K. Поскольку граница сублимации стремится к нулю по очень крутой экспоненте
P = A exp(-k/T), причём A порядка 10^11 Па, а k примерно 5200,
Что случится с водой в космосе: замерзнет или испарится?
Космос — это пространство с рекордно низкой температурой и давлением. В таких условиях не может существовать вода и любое другое вещество в жидком состоянии. Что будет с водой, специально спущенной в космос? Она замерзнет или испарится?
Кипение и замерзание воды при нормальных условиях
Нормальными условиями считается давление, равное 760 мм рт. ст по ГОСТу (равняется атмосферному давлению) или же 100 кПа по ИЮПАК (используется для проведения химических и физических опытов). При нормальном давлении вода кипит при температуре 100°С, а замерзает — при 0 °С. Однако, изменение давления в большую или меньшую сторону изменяет температуру кипения воды с определенной тенденцией.
Парадоксы низкого и высокого давления
На кипение воды сильнее всего влияет не температура, а давление. Если его повысить по сравнению с нормальным, то вода закипит при температуре, которая больше 100°С (температуры кипения воды при обычных условиях). Если его понизить, то вода закипит при температуре, которая ниже 100°С. В космосе давление низко настолько, что условия почти напоминают вакуум. В такой ситуации вода, попавшая в космос, мгновенно закипит. Но что произойдет с ней дальше?
Может ли замерзнуть кипяченая вода?
В процессе кипения вода излучает тепло и отдает большую его часть, которая заключена в химических связях. Это понижает температуру жидкости. Если она находится в сосуде, то она может замерзнуть — покрыться коркой льда. Однако, такое возможно лишь тогда, если емкость имеет узкое горло и расширяется к низу. Замерзшая жидкость начнет сублимироваться — переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Вода целиком превратиться в пар.
Если жидкость не находилась в сосуде, а была в свободном состоянии, то произойдет двоякая ситуация. Одна часть воды быстро испариться, а вторая успеет стать микроскопическими частичками льда.
Именно из-за экстремально низкого давления в открытом космосе не существует жидких веществ. В нем можно найти только газообразные или твердые.
В космосе вода проходит через ряд сложных этапов. Сначала она нагревается из-за очень низкого давления, а затем отдает тепло и охлаждается. Когда-то она достигает такого низкого значения, что замерзает окончательно. Однако, на этом этапе превращения вещества не прекращаются. После окончательного замерзания вода начинает испаряться, превращаясь в газообразное состояния, минуя жидкое. Этот процесс называется сублимацией. Таким образом, в космосе вода может существовать только в двух состояниях: газообразном и твердом.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Казалось бы не сложный вопрос: что произойдет с жидкой водой комнатной температуры при атмосферном давлении, если ее вылить в открытый космос?
Космос — очень, очень холодное место. На сильном холоде, как подсказывает нам жизненный опыт, вода превращается в лед — кристаллизуется.Но космос — это еще и самый близкий к идеальному вакуум, до которого можно дотянуться. Одна атмосфера эквивалентна давлению 6 x 1022 атомов водорода на квадратный метр. В лучших вакуумных камерах на Земле ученые создают давление в миллиарды раз меньшее, но в межзвездном пространстве оно опускается в миллионы и миллиарды раз ниже земных технических рекордов.А при пониженном давлении вода переходит в газообразное состояние — кипит.
Так что же произойдет, если жидкоая вода окажется одновременно при очень низком давлении и очень низкой температуре — замерзнет или мгновенно вскипит, превратившись в газ?
Ответ — в теплоемкости воды.
Космос холоден, но даже в межгалактическом пространстве вода очень неплохо сохраняет то тепло, которое ей когда-то сообщили. Резко охладить ее до температуры, близкой к абсолютному нолю, невозможно — слишком велика разница между комнатной (293 К) и средней по космосу. К тому же в момент, когда вода окажется в безвоздушном холодном мраке, силы поверхностного натяжения сформируют водяные сферы, и площадь охлаждения станет минимальной.
Таким образом процесс охлаждения будет идти невероятно медленно — по крайней мере до тех пор, пока каждая молекула не окажется сама по себе, вдалеке от других уголков H2O.
Итак, последовательность событий такова: попадая в открытый космос, вода сначала мгновенно становится газообразной, а затем замерзает в виде крошечных льдинок, заполняющих межзвездную пустоту.
Можно ли увидеть это в реальной жизни? Оказалось что да. По словам астронавтов МКС они много раз наблюдали этот эффект, когда выпускали в открытый космос… мочу из космического корабля!
Когда астронавты, сходив «по маленькому», освобождают космическую станцию от лишнего балласта и отправляют свою мочу в открытый космос, по их словам, она очень бурно кипит. А затем пар почти мгновенно переходит в фазу твердого состояния, и в конечном итоге в космосе получаются такие небольшие облака очень мелких кристаллов замороженной мочи…
А вот еще интересный аспект поведения воды в невесомости.
При какой температуре закипает вода в космосе
Первый ответ на вопрос, что станет с водой в открытом космосе, широкой публике дал известный американский писатель-фантаст Айзек Азимов. В его рассказе “Заброшенные у Весты” уцелевшие обитатели осколка космического корабля смогли совершить посадку на астероид, благодаря созданию ракетного двигателя из струи жидкости. Для этого одному из героев пришлось проплавить внешнюю стенку корабельного бака воды. По утверждению героя рассказа, вода одновременно кипела и сублимировалась в вакууме.
Источник изображения: wisgoon.com
А как происходит на самом деле?
Всем известно, что с падением давления точка кипения воды становится все ниже и наоборот, при повышении давления точка кипения растет. При атмосферном давлении вода закипает при привычных нам 100 градусах Цельсия. Если давление увеличить вдвое, то вода закипит уже при 120 градусах (это было прекрасно известно кочегарам паровозов). А вот если давление упадет до 0,07 атмосферного, то вода закипит при комнатной температуре.
Вода в условиях вакуума практически сразу начинает кипеть. Источник изображения: nextews.com
В космосе давление настолько низкое, что его невозможно обнаружить самыми точными земными приборами. Собственно о величине давления в космосе невозможно судить по прямым измерениям, физики в этой ситуации используют различные косвенные методы для определения его значения. Исходя из этого факта можно предположить, что вода в условиях практически идеального вакуума должна мгновенно закипеть.
Все не так просто, как кажется…
Главным фактором вызывающим замерзание воды является температура внешней среды. А в открытом космосе эта температура крайне низкая – примерно 2,7 градуса по Кельвину (рекордные места космоса по холоду имеют и вовсе температуру лишь на полградуса выше абсолютного ноля).
Карта реликтового излучения. Источник изображения nasa.gov
Температура открытого космоса обеспечивается реликтовым излучением, это остатки тепла Вселенной после Большого Взрыва. Такой холод, с другой стороны, должен вызвать мгновенное замерзание жидкости.
Итак, рассмотрение 2 противодействующих факторов – космических давления и температуры не дают однозначный ответ о поведении воды в открытом космосе. В такой ситуации на первый план выходят теплоемкость воды и ее теплопередача. Оказывается теплоемкость воды очень высока, а вот скорость передачи тепла (или его потери) у воды относительно низкая. Охлаждаться же могут только те молекулы, которые непосредственно контактируют с вакуумом. Молекулы же внутри жидкости просто не могут терять температуру.
Но и это еще не все…
Неожиданно в игру включается еще один фактор – силы поверхностного натяжения жидкости. В космосе не только почти полный вакуум и крайне низкая температура, но еще и невесомость. Вся жидкость мгновенно примет шарообразную форму, значит количество молекул подвергающихся охлаждению еще больше уменьшится.
В невесомости жидкость принимает форму шара. Источник изображения: omactiv.md
А вот внутренняя энергия воды останется неизменной. Дальше следует вспомнить, что даже в мороз вывешенная одежда высыхает, так как часть молекул воды всегда имеют достаточно энергии для испарения. И это происходит при нормальном давлении. А в начальный момент энергией для испарения в условиях космического вакуума обладают практически все молекулы жидкости. Охладиться от вакуума они не могут, поскольку с ним не контактируют находясь внутри жидкости, а теплопередача для этого слишком мала.
Что же получается?
Итак, охладиться есть шанс только у молекул находящихся на поверхности жидкости и непосредственно контактирующих с космическим холодом. А практически все остальные молекулы воды имеют внутреннюю энергию достаточно для кипения, ведь давление в космосе ничтожно.
Источник изображения: yousense.
Раз внутренней энергии достаточно, то она и сыграет первостепенную роль. Вода, помещенная в открытый космос мгновенно вскипит. Молекулы жидкости устремятся в различные стороны и непосредственно войдут в контакт с космическим холодом. Начнется быстрое охлаждение. Только что вскипевшая вода станет стремительно замерзать. В итоге мы получим мелкие льдинки стремящиеся разлететься, ведь импульс у частичек жидкости полученный при кипении никуда не делся.
В результате ответ на вопрос, что произойдет с водой в открытом космосе, звучит так – сначала вода мгновенно вскипит, затем быстро превратится в разлетающиеся частички льда. А Айзек Азимов в своем описании реактивной струи из воды был практически прав.
Лариса Крушельницкая Гений (53830) 10 лет назад
Механизм здесь такой. Посмотрите на фазовую диаграмму воды. Температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления. При комнатной температуре вода кипит, если давление снизить примерно до 0.07 атм. То есть, если температура воды комнатная, то при 0.07 атм вода начинает кипеть. При этом в парообразное состояние переходят молекулы воды с самой высокой энергией. За счёт этого температура воды понижается. Если давление поддерживать постоянным, то в конце концов вода охладится до температуры, когда она перестанет кипеть.
Эти рассуждения, конечно, не учитывают всяких тонкостей типа скрытой энергии фазовых переходов, перераспределение молекул по скоростям при охлаждении, однако думаю, что качественно они правильно описывают процесс.
В космосе давление существенно ниже, однако не равно нулю. А кривая раздела льда и пара на фазовой диаграмме при снижении давления идёт в точку (T = 0; P = 0). То есть при любом сколь угодно малом (но ненулевом) давлении температура сублимации льда ненулевая. Это значит, что подавляющая часть воды испарится, но какая-то микроскопическая её часть превратится в лёд.
Тут есть ещё один нюанс. Космос пронизан излучением с температурой примерно 3 K. Это значит что охладиться ниже 3 K вода (лёд) не сможет. Поэтому итог процесса зависит от давления сублимации льда при температуре 3 K. Поскольку граница сублимации стремится к нулю по очень крутой экспоненте
P = A exp(-k/T), причём A порядка 10^11 Па, а k примерно 5200,
Специальный человег Гуру (4123) 10 лет назад
Инженер-констриктор Высший разум (189426) 10 лет назад
Вода в космосе “вскипит” – из неё весёлыми бурлящими пузырьками улетучатся все растворённые газы, т. к. их растворимость падает с падением давления.
А дальше, само собой, замёрзнет, если будет находиться в тени от солнечного излучения.
Чайник воды будет замерзать, думаю, несколько часов, т. к. тратит энергию только на излучение.
На солнце – испарится.
Это ясно как белый день, потому что этим самым белым днём даже лужи на Земле испаряются и озёра высыхают.
Куда уж там нашему космическому чайнику избежать этой участи.
P.S. Мысль ещё такая – т. к. вода всё-таки имеет какую-то температуру, то её молекулы (движутся, ага) будут испаряться с поверхности, и тем самым энергию уносить, т. е. вода будет кипеть и остывать.
Так что, может, с часами замерзания я и переборщил.
Вячеслав Тодоров Профи (802) 10 лет назад
Я думаю что замёрзнит, поскольку в космосе –абсолютный ноль
Иван ФедоровПросветленный (41476) 10 лет назад
Вообще-то воде пофиг, какой там ноль в космосе (и у чего он там). У воды есть своя собственная температура, которая будет понижаться вследствие испарения и излучения, а может и повышаться, если солнышко будет припекать. “Товарищ Чё?” все подробно расписал.
Казалось бы не сложный вопрос: что произойдет с жидкой водой комнатной температуры при атмосферном давлении, если ее вылить в открытый космос?
Космос – очень, очень холодное место. На сильном холоде, как подсказывает нам жизненный опыт, вода превращается в лед – кристаллизуется.Но космос – это еще и самый близкий к идеальному вакуум, до которого можно дотянуться. Одна атмосфера эквивалентна давлению 6 x 1022 атомов водорода на квадратный метр. В лучших вакуумных камерах на Земле ученые создают давление в миллиарды раз меньшее, но в межзвездном пространстве оно опускается в миллионы и миллиарды раз ниже земных технических рекордов.А при пониженном давлении вода переходит в газообразное состояние – кипит.
Так что же произойдет, если жидкоая вода окажется одновременно при очень низком давлении и очень низкой температуре – замерзнет или мгновенно вскипит, превратившись в газ?
Ответ – в теплоемкости воды.
Космос холоден, но даже в межгалактическом пространстве вода очень неплохо сохраняет то тепло, которое ей когда-то сообщили. Резко охладить ее до температуры, близкой к абсолютному нолю, невозможно – слишком велика разница между комнатной (293 К) и средней по космосу. К тому же в момент, когда вода окажется в безвоздушном холодном мраке, силы поверхностного натяжения сформируют водяные сферы, и площадь охлаждения станет минимальной.
Таким образом процесс охлаждения будет идти невероятно медленно – по крайней мере до тех пор, пока каждая молекула не окажется сама по себе, вдалеке от других уголков H2O.
Итак, последовательность событий такова: попадая в открытый космос, вода сначала мгновенно становится газообразной, а затем замерзает в виде крошечных льдинок, заполняющих межзвездную пустоту.
Можно ли увидеть это в реальной жизни? Оказалось что да. По словам астронавтов МКС они много раз наблюдали этот эффект, когда выпускали в открытый космос… мочу из космического корабля!
Когда астронавты, сходив «по маленькому», освобождают космическую станцию от лишнего балласта и отправляют свою мочу в открытый космос, по их словам, она очень бурно кипит. А затем пар почти мгновенно переходит в фазу твердого состояния, и в конечном итоге в космосе получаются такие небольшие облака очень мелких кристаллов замороженной мочи…
А вот еще интересный аспект поведения воды в невесомости.
Кипение в условиях низкой гравитации – забавнейшее зрелище. Но оно имеет значение не только как развлечение, а может преподнести ученым кое-какие открытия в области физики. Еще несколько десятков лет назад никто не знал, что представляет собой процесс кипения в космосе. Конечно, физики ломали голову, анализируя сложный характер кипения здесь, на Земле. Про космос же только предполагали, что зрелище будет еще более захватывающее. А ведь это важный вопрос, потому что кипение происходит не только в чайнике, но и в электрогенераторах и в системах охлаждения космического корабля. Поэтому инженерам необходимо знать, как происходит этот процесс.
Вообще-то на орбите кипение представляет собой более простой процесс, чем на Земле. Невесомость аннулирует две переменных, воздействующих на кипение – конвекцию и плавучесть. Именно поэтому кипяток ведет себя в космосе по-другому. Нагретая жидкость не поднимается, а остается рядом с нагревающей поверхностью и нагревается дальше. Те области жидкости, которые находятся на некотором расстоянии от источника тепла, остаются относительно холодными. Поскольку нагревается меньший объем воды, процесс происходит быстрее. По мере формирования пузырьков пара, они не поднимаются на поверхность, а объединяются в гигантский пузырь, который колеблется в жидкости.
Недавно от одного из подписчиков нашего телеграм канала я получил следующий вопрос:
Известно что понижение температуры вещества осуществляется за счёт поглощения энергии другим веществом. В космосе – почти вакуум, а значит, не смотря на низкую температуру, замерзание невозможно. Что же случится с ведром воды, гипотетически вылитым в открытый космос?
Давайте разберёмся вместе, что же произойдёт.
Температура разреженного вещества в космическом пространстве сильно колеблется в зависимости от того где это вещество находится. Для простоты наших рассуждений будем рассматривать ситуацию, когда наше ведро с водой оказалось на орбите Земли, в её тени, где температура может опускаться до минус 170 градусов.
Возможно ли охлаждение в космическом вакууме?
Существует три типа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Для первых двух способов необходимо, чтобы тело ( в данном случае жидкая вода) находилось в прямом контакте с каким-либо другим телом. Только при наличии контакта происходит передача тепла, Так например в земной атмосфере вода в ведре обменивается теплом со стенками ведра и воздухом атмосферы.
А вот тепловое излучение работает независимо от наличия вещества вокруг тела. Любое нагретое тело постоянно испускает тепловое излучение. Тепловое излучение «разлетается» во все стороны и тепло передаётся любому другому телу, которое окажется на пути этого излучения. В условиях вакуума тепловое излучение является единственным механизмом теплопередачи. Именно этим способом тепло передаётся например от Солнца к Земле. Поэтому охлаждение и замерзание вещества в космосе вполне возможно. Вещество будет просто испускать излучение уменьшая свою температуру.
«Странное» кипение в вакууме.
Температура, при которой жидкость закипает, зависит от давления окружающей среды. Так если увеличить атмосферное давление в 2 раза, то вода закипит при температуре около 120 градусов, а если снизить давление до 7% от нормы, то вода закипит уже при 20 градусах Цельсия. Этот факт хорошо известен например альпинистам: вода высоко в горах закипает не достигнув 100 градусов по Цельсию. В условиях космического вакуума давление настолько низкое, что его невозможно зафиксировать прямым измерением. Вода в таких условиях мгновенно закипит независимо от температуры и, как ни странно, именно это может привести её к замерзанию.
Кипящая вода при температуре 20 градусов в условиях низкого давления
Как кипящая вода может замёрзнуть?
За счёт кипения вода будет отдавать огромное количество тепла и её температура будет быстро снижаться, намного быстрее чем от теплового излучения, каждый, кто хоть раз выпускал из баллона с дезодорантом много газа за раз, мог ощутить, насколько жидкость в баллоне охлаждается при этом. Аналогичная ситуация и с кипением воды.
В зависимости от формы и размеров емкости вода может успеть покрыться ледяной коркой, которая предотвратит дальнейшее кипение и вода будет медленно остывать за счёт теплового излучения, но для этого посудина должна иметь большой объём и узкое горлышко, как например у винной бутылки. После этого в условиях вакуума вода будет сублимировать, то есть переходить из твёрдого напрямую в газообразное состояние. Со временем весь лёд перейдёт в газообразное состояние, так что, можно сказать, что вода сначала частично испарится, потом замёрзнет, а потом испарится полностью.
А что будет, если отправить воду в космос без посудины?
Если же мы выплеснем ведро воды в космосе, то защитная корка не сможет образоваться, вода будет разбросана кипением в окружающее пространство в виде мелких капель, часть воды быстро испарится, а остальная образует микроскопические кристаллы льда, которые, в свою очередь, также будут сублимировать вплоть до полного испарения.
Авторы: астрофизик Фёдор Карасенко, кандидат технических наук Александр Петров
Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!
Для простых смертных космос так и останется большой загадкой. Вероятнее всего, никто из нас никогда не увидит, как в космосе горит огонь или кипит вода, но у нас есть возможность узнать, что же происходит с привычными нам вещами в состоянии невесомости.
Вода кипит одним большим пузырем
На Земле при кипении воды появляются десятки маленьких пузырей, а в космосе – только один гигантский пузырь. До 1992 года, когда эксперимент с кипящей водой провели на борту космического аппарата, ученые не знали, что может с ней произойти.
Появление одного большого пузыря они объясняют отсутствием конвекции (перенос теплоты в жидкости при перемешивании самого вещества) и плавучести: эти два явления обусловлены гравитацией.
Практическое значение эксперимента весьма велико: ученые смогут улучшить охлаждающие системы космических кораблей, и, когда-то, построить двигательные установки для космических станций. Последние будут использовать солнечный свет для нагрева жидкости, пары которой будут приводить в движение турбину, производящую электроэнергию.
На Земле пламя от костра или свечи поднимается вверх, а в космосе оно движется по всем направлениям. Причина в том, что у поверхности планеты больше молекул воздуха (опять же благодаря гравитации), а при вертикальном движении воздух становится разреженнее, и давление уменьшается.
Этой разницы в атмосферном давлении достаточно для того, чтобы пламя поднималось в виде шара.
На Земле воздух возле пламени нагревается, расширяется, и становится легче холодного воздуха, который давит на горячие молекулы, причем больше давления оказывается на нижнюю часть пламени, из-за чего оно поднимается вверх.
При отсутствии гравитации не ощущается и давление, и пламя шарообразно поднимается во все стороны.
Бактерии растут быстрее
Эксперименты показали, что бактерии растут быстрее в состоянии микрогравитации, причем некоторые из них становятся опаснее. Например, у сальмонеллы в космосе изменились 167 генов. После того, как бактерий-астронавтов вернули на землю, оказалось, что они в три раза чаще вызывали заболевания у мышей, чем сальмонеллы, выращенные на Земле.
Теорий быстрого роста бактерий в космосе несколько: например, там больше места. Изменения в генах ученые связывают с реакцией на стресс протеина Hfq: микрогравитация меняет пути движения жидкости в клетках бактерий, и Hfq реагирует на такие изменения, делая их опаснее. Изучив реакцию протеина на стресс в космосе, ученые надеются понять, как бактерии отвечают на сопротивление иммунной системы человека.
Пивные пузыри остаются в пиве
В космосе нет гравитации, значит, нет и силы, которая будет “выталкивать” пузыри газа из напитков: они так и останутся в пиве, даже когда оно попадет в организм космонавтов. Согласитесь, пить газированные напитки в состоянии микрогравитации – не самый приятный процесс.
К счастью, о космонавтах позаботилась австралийская компания, выпустившая пиво Vostok 4 Pines Stout Space Beer (Крепкое космическое пиво Восток-4) с низким содержанием газов. Некоммерческая организация по исследованию космоса Astronauts4Hire уже пытается выяснить, смогут ли потреблять это пиво в будущем космические туристы.
Розы пахнут по-другому
Цветы, выращенные в космосе, выделяет ароматические компоненты, отличные от компонентов земных растений. Происходит это потому, что летучие масла (которые и являются запахом цветов) зависят от температуры и влажности.
Если учесть хрупкость цветов, то несложно понять, почему запахи разнятся.
После анализа, внеземной запах роз с космического аппарата Discovery был “увековечен” в духах Zen от японской компании Shiseido.
Люди больше потеют
Повторимся, что в условиях микрогравитации не происходит конвекция, то есть пот не испаряется, а остается на теле.
Как результат, организм выделяет больше пота, пытаясь охладить себя.
Влага накапливается на теле, а путешествие в космос становится весьма “мокрым” занятием.