Космос

Відро води у космосі: замерзне або випарується?

Нещодавно один з читачів нашого телеграм-каналу поставив ось таке питання:

Відомо, що зниження температури речовини здійснюється за рахунок поглинання енергії іншим речовиною. В космосі – майже вакуум, а значить, не дивлячись на низьку температуру замерзання неможливо. Що ж станеться з відром води, гіпотетично вилитим у відкритий космос?

Давайте разом розберемося, що станеться.

Температура розріджених речовин в космічному просторі сильно змінюється в залежності від їх місця розташування. Давайте спростимо ситуацію і розглянемо, що станеться, якщо відро з водою опиниться на орбіті Землі, в тіні, де температура може опускатися до мінус 170 градусів.

Можливо охолодження в космічному вакуумі?

Існують три основних способи передачі тепла: теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання. Перші два методи вимагають прямого контакту тіла (в даному випадку – рідини) з іншими тілами. Це означає, що передача тепла відбувається тільки при наявності контакту. Наприклад, в земній атмосфері вода у відрі обмінюється теплом з стінками відра і атмосферою.

Але теплове випромінювання діє незалежно від оточуючих речовин. Кожне нагріте тіло випромінює теплову енергію. Теплове випромінювання поширюється у всі сторони і передається іншим тілам, що знаходяться на шляху цього випромінювання. У вакуумі теплове випромінювання – це єдиний механізм передачі тепла. Наприклад, саме так тепло від Сонця доходить до Землі. Саме цей метод дозволяє охолодження і замерзання речовини в космосі. Речовина почне випромінювати теплову енергію, поступово знижуючи свою температуру.

“Дивовижне” кипіння у вакуумі.

Температура, при якій рідина починає кипіти, залежить від тиску навколишнього середовища. Наприклад, при підвищенні атмосферного тиску в два рази, температура кипіння води може скласти близько 120 градусів, а при зниженні тиску до 7% норми – лише 20 градусів Цельсія. Це відомий факт, що підтверджується, наприклад, дослідами альпіністів: вода починає кипіти при набагато нижче 100 градусів на найвищих гірських вершинах. У космічному вакуумі тиск настільки низький, що його неможливо виміряти безпосередньо. В таких умовах вода почне кипіти миттєво, незалежно від температури. І, як може здатися дивним, саме це кипіння може привести до замерзання води.

Кипляча вода при температурі 20 градусів в умовах низького тиску

Як кипляча вода може замерзнути?

У процесі кипіння вода буде виділяти величезну кількість тепла, і її температура буде швидко знижуватися набагато швидше, ніж при передачі тепла через теплове випромінювання. Це можна порівняти з відчуттям охолодження, коли велика кількість газу швидко виходить з балона з дезодорантом. Така ж ситуація і при кипінні води.

В залежності від форми і розмірів посудини вода може встигнути покритися крижаною кіркою, яка перешкоджає подальшому кипіння. Таким чином, вода буде охолоджуватися повільно за рахунок теплового випромінювання. Однак для цього посудину повинен бути об’ємним і мати вузьке горлечко, зразок винної пляшки. Потім, в умовах вакууму, вода почне сублімувати, тобто прямо з сирного стану переходить в газоподібний. З плином часу весь лід буде испарен, і можна сказати, що вода спочатку частково випаровується, а потім замерзає і, нарешті, повністю випаровується.

А що буде, якщо відправити воду в космос без посудини?

Якщо ми просто випустимо воду в космос, то захисної оболонки не буде, і вода буде розсіяна навколо при кипінні у вигляді дрібних крапель. Деяка частина води швидко випарується, в той час як інша перетвориться в мікроскопічні кристали льоду. Ці кристали також почнуть сублімувати, переходячи прямо з твердого стану в газоподібний, і цей процес триватиме до повного випаровування.