fryser eller koker vann i rommet?

» du kan ikke krysse havet bare ved å stå og stirre på vannet.»
-Rabindranath Tagore

hvis du tok flytende vann ut i verdensrommet, ville det fryse eller ville det koke? Vakuumet i rommet er veldig forskjellig fra det vi er vant til her på Jorden. Hvor du står nå, omgitt av vår atmosfære og relativt nær Solen, er forholdene akkurat riktig for flytende vann å eksistere stabilt nesten overalt på planetens overflate, enten det er dag eller natt.

bilde kreditt: NASA Goddard space flight center bilde av reto st hryvckli, terra satellitt / modis instrument.

men rommet er forskjellig på to ekstremt viktige måter: det er kaldt( spesielt hvis du ikke er i direkte sollys eller lenger unna stjernen vår), og det er det beste trykkløse vakuumet vi vet om. Mens standard atmosfærisk trykk på Jorden representerer ca 6 × 10^22 hydrogenatomer som skyver ned på hver kvadratmeter På Jordens overflate, og mens de beste terrestriske vakuumkamrene kan komme ned til omtrent en trilliondel av Det, har interstellare rom et trykk som er millioner eller til og med milliarder ganger mindre enn det!

bilde kreditt: NASA.

Med andre ord, det er en utrolig nedgang i både temperatur og trykk når det kommer til dypet av verdensrommet i forhold til hva vi har her på Jorden. Og likevel, det er det som gjør dette spørsmålet enda mer plagsomt.Du ser, hvis du tar flytende vann og du plasserer det i et miljø der temperaturen avkjøles til under frysing, vil det danne iskrystaller i veldig, veldig kort rekkefølge.

bilde kreditt: Vyacheslav Ivanov, fra hans video på vimeo: http://vimeo.com/87342468.

vel, plassen er virkelig, veldig kald. Hvis vi snakker om å gå til interstellare rom, langt unna (eller skygget) fra noen stjerner, kommer den eneste temperaturen fra gjenværende glød fra Big Bang: Den Kosmiske Mikrobølgebakgrunnen. Temperaturen på dette strålingshavet er bare 2.7 Kelvin, som er kaldt nok til å fryse hydrogen fast, mye mindre vann.

Så, hvis du tar vann inn i rommet, bør det fryse, ikke sant?

bilde kreditt: Richard sennott / ap, via http://www.theguardian.com/science/2014/sep/19/faith-wisdom-science-tom-mcleish-review.

Ikke så fort! Fordi hvis du tar flytende vann og du slipper trykket i miljøet rundt det, kokes det. Du kan være kjent med det faktum at vann koker ved lavere temperatur i høye høyder; dette skyldes at det er mindre atmosfære over deg, og dermed er trykket lavere.

bilde kreditt: thomson høyere utdanning.

Vi kan finne et enda mer alvorlig eksempel på denne effekten, men hvis vi legger flytende vann i et vakuumkammer, og deretter evakuerer luften raskt. Hva skjer med vannet?

animasjonskreditt: mr. grodski kjemi, via youtube påhttps://www.youtube.com/watch?v=glLPMXq6yc0.

det koker, og det koker ganske voldsomt på det! Årsaken til dette er at vann, i væskefasen, krever både et bestemt trykkområde og et bestemt temperaturområde. Hvis du starter med flytende vann ved en gitt fast temperatur, vil et lavt nok trykk føre til at vannet umiddelbart kokes.

Men på den første hånden, igjen, hvis du starter med flytende vann ved et gitt, fast trykk, og du senker temperaturen,vil det føre til at vannet umiddelbart fryser!

bilde kreditt: Wikimedia commons bruker cmglee.

når vi snakker om å sette flytende vann i vakuumet i rommet, snakker vi om å gjøre begge ting samtidig: tar vann fra en temperatur / trykk kombinasjon der det er stabilt en væske og flytter den til et lavere trykk, noe som gjør at den vil koke, og flytte den til en lavere temperatur, noe som gjør at den vil fryse.

du kan ta med flytende vann til rom (ombord, si den internasjonale romstasjonen) der den kan holdes I Jordlignende forhold: ved stabil temperatur og trykk.

men når du setter flytende vann i rommet — hvor det ikke lenger kan forbli som en væske — hvilken av disse to tingene skjer? Fryser det eller koker det?

det overraskende svaret er at det gjør begge deler: først koker det og så fryser det! Vi vet dette fordi dette er det som pleide å skje når astronautene følte naturens kall mens de var i rommet. Ifølge astronautene som har sett det for seg selv:

når astronautene tar en lekkasje mens de er på oppdrag og utviser resultatet i rommet, koker det voldsomt. Dampen passerer deretter umiddelbart inn i fast tilstand( en prosess kjent som desublimation), og du ender opp med en sky av meget fine krystaller av frossen urin.

det er en overbevisende fysisk grunn til dette: den høye spesifikke varmen av vann.

bilde kreditt: ChemistryLand, via http://www.chemistryland.com/CHM151S/06-Thermochemistry/Energy/EnergyUnitSpecificHeat.html.

det er utrolig vanskelig å endre temperaturen på vannet raskt, fordi selv om temperaturgradienten er stor mellom vannet og interstellarrommet, holder vannet varme utrolig godt. Videre, på grunn av overflatespenning, har vann en tendens til å forbli i sfæriske former i rommet (som du så over), noe som faktisk minimerer mengden overflateareal det må bytte varme med sitt subzero miljø. Så fryseprosessen ville være utrolig langsom, med mindre det var noen måte å utsette hvert vannmolekyl individuelt for vakuumet i rommet selv.

Men det er ingen slik begrensning på trykket; det er effektivt null utenfor vannet, og så kan kokingen skje umiddelbart og kaste vannet inn i sin gassformige (vanndamp) fase!

men når det vannet koker, husk hvor mye mer volum gass tar opp enn væske, og hvor mye lenger fra hverandre molekylene får. Dette betyr at umiddelbart etter at vannet har kokt, kan denne vanndampen-nå ved effektivt nulltrykk – avkjøles veldig raskt! La oss ta en titt på fasediagrammet for vann.

bilde kreditt: Henry greenside av hertug, viahttp: / / www.phy.duke.edu / ~hsg/363/table-images/water-phase-diagram.html.

Når du kommer under om 210 K, kommer du inn i den faste fasen for vann — is-uansett hva trykket ditt er. Så det er det som skjer: først koker vannet, og så den veldig fine tåken som det koker bort i fryser, noe som gir opphav til et tøft, fint nettverk av iskrystaller.

Tro det eller ei, vi har en analogi for det her på Jorden! På en veldig, veldig kald dag (det må være omtrent -30° eller lavere for at dette skal fungere), ta en pott med litt kokende vann og kast det opp (vekk fra ansiktet) i luften.

den raske reduksjonen i trykk (går fra å ha vann på toppen av det til bare luft) vil føre til rask koking, og deretter vil den raske virkningen av den ekstremt kalde luften på vanndampen føre til dannelse av frosne krystaller: snø!

bilde kreditt: Mark Whetu, I Sibir.

så koker eller fryser vann når du tar det til plass? Ja, det gjør det.