megfagy vagy felforr a víz az űrben?
” nem lehet átkelni a tengeren pusztán állva és bámulva a vizet.”
-Rabindranath Tagore
ha folyékony vizet hozna a világűrbe, megfagyna vagy felforrna? A világűr légüres térsége rettenetesen különbözik attól, amit itt a Földön megszoktunk. Ahol most állunk, körülvéve a légkörünkkel és viszonylag közel a Naphoz, a feltételek éppen megfelelőek ahhoz, hogy a folyékony víz stabilan létezzen szinte mindenhol a bolygónk felszínén, akár nappal, akár éjszaka.
de az űr két rendkívül fontos módon különbözik: hideg van (különösen, ha nem vagy közvetlen napfényben, vagy távolabb a csillagunktól), és ez a legjobb nyomásmentes vákuum, amiről tudunk. Míg a szokásos légköri nyomás a Földön körülbelül 6 db 10^22 hidrogénatomot jelent, amelyek a Föld felszínén minden négyzetméteren lefelé nyomódnak, és míg a legjobb földi vákuumkamrák ennek körülbelül egy billiójára képesek lejutni, a csillagközi tér nyomása millió vagy akár milliárdszor kisebb, mint ez!
kép hitel: NASA.
más szavakkal, hihetetlen mértékben csökken a hőmérséklet és a nyomás a világűr mélységeiben ahhoz képest, ami itt a földön van. És mégis, ez teszi ezt a kérdést még inkább zavaróvá.
látja, ha folyékony vizet vesz, és olyan környezetbe helyezi, ahol a hőmérséklet fagypont alá hűl, nagyon-nagyon rövid sorrendben jégkristályokat képez.
Nos, a tér nagyon, nagyon hideg. Ha arról beszélünk, hogy csillagközi térbe megyünk, messze (vagy árnyékolva) minden csillagtól, akkor az egyetlen hőmérséklet az Ősrobbanás maradék fényéből származik: a kozmikus mikrohullámú háttérből. Ennek a sugárzási tengernek a hőmérséklete csak 2.7 Kelvin, amely elég hideg ahhoz, hogy fagyassza be a hidrogén szilárd, sokkal kevesebb vizet.
tehát, ha vizet visz az űrbe, meg kell fagynia, igaz?
ne olyan gyorsan! Mert ha folyékony vizet vesz, és csökkenti a nyomást a körülötte lévő környezetben, felforr. Lehet, hogy ismeri azt a tényt, hogy a víz alacsonyabb hőmérsékleten forr nagy magasságokban; ez azért van, mert kevesebb légkör van feletted, és ezért a nyomás alacsonyabb.
még súlyosabb példát találhatunk erre a hatásra, ha folyékony vizet helyezünk vákuumkamrába, majd gyorsan kiürítjük a levegőt. Mi történik a vízzel?
forr, és elég hevesen forr! Ennek oka az, hogy a víz folyékony fázisában mind bizonyos nyomástartományt, mind bizonyos hőmérsékleti tartományt igényel. Ha folyékony vízzel indul egy adott rögzített hőmérsékleten, akkor elég alacsony nyomás hatására a víz azonnal felforr.
de első kézből, ismét, ha folyékony vízzel kezdjük egy adott, rögzített nyomáson, és csökkentjük a hőmérsékletet, akkor a víz azonnal megfagy!
amikor arról beszélünk, hogy folyékony vizet helyezünk a tér vákuumába, akkor mindkét dolgot egyszerre csináljuk: ha vizet veszünk egy hőmérséklet / nyomás kombinációból, ahol stabilan folyadék, és alacsonyabb nyomásra mozgatjuk, ami miatt forrni akar, és alacsonyabb hőmérsékletre mozgatjuk, ami miatt fagyni akar.
folyékony vizet hozhat az űrbe (mondjuk a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén), ahol földszerű körülmények között tartható: stabil hőmérsékleten és nyomáson.
de amikor folyékony vizet helyezünk az űrbe — ahol az már nem maradhat folyadékként—, a két dolog közül melyik történik? Megfagy vagy felforr?
a meglepő válasz mindkettő: először forr, majd lefagy! Ezt tudjuk, mert ez történt, amikor az űrhajósok érezték a természet hívását az űrben. Az űrhajósok szerint, akik maguk is látták:
amikor az űrhajósok egy küldetés során szivárognak, és az eredményt az űrbe dobják, hevesen forr. A gőz ezután azonnal szilárd állapotba kerül (ezt a folyamatot desublimációnak nevezik), és a fagyasztott vizelet nagyon finom kristályainak felhője lesz.
ennek kényszerítő fizikai oka van: a víz magas fajlagos hője.
hihetetlenül nehéz gyorsan megváltoztatni a víz hőmérsékletét, mert annak ellenére, hogy a hőmérséklet gradiens hatalmas a víz és a csillagközi tér között, a víz hihetetlenül jól tartja a hőt. Ezenkívül a felületi feszültség miatt a víz általában gömb alakú formában marad az űrben (amint azt fentebb látta), ami valójában minimalizálja azt a felületet, amelynek hőt kell cserélnie nulla alatti környezetével. Tehát a fagyasztási folyamat hihetetlenül lassú lenne, hacsak nem lenne valamilyen módja annak, hogy minden vízmolekulát külön-külön kitegyenek a tér vákuumának.
de nincs ilyen korlátozás a nyomásra; gyakorlatilag nulla a vízen kívül, így a forralás azonnal megtörténhet, a vizet gáznemű (vízgőz) fázisába merítve!
de amikor ez a víz forr, ne feledje, hogy mennyivel nagyobb mennyiségű gáz veszi fel, mint a folyadék, és mennyivel távolabb kerülnek egymástól a molekulák. Ez azt jelenti, hogy közvetlenül a víz forrása után ez a vízgőz — most gyakorlatilag nulla nyomáson — nagyon gyorsan lehűlhet! Vessünk még egy pillantást a víz fázisdiagramjára.