17 września, 2021

czy woda zamarza czy gotuje się w kosmosie?

„nie można przekroczyć morza tylko stojąc i wpatrując się w wodę.”
– Rabindranath Tagore

Jeśli w kosmos wniesiesz płynną wodę, zamarznie czy zagotuje? Próżnia kosmosu różni się od tej, do której przywykliśmy na Ziemi. Tam, gdzie teraz stoicie, otoczeni naszą atmosferą i stosunkowo blisko Słońca, warunki są odpowiednie, aby płynna woda mogła stabilnie istnieć niemal wszędzie na powierzchni naszej planety, czy to w dzień, czy w nocy.

ale przestrzeń różni się na dwa niezwykle ważne sposoby: jest zimna (zwłaszcza jeśli nie jesteś w bezpośrednim świetle słonecznym lub dalej od naszej gwiazdy) i jest to najlepsza próżnia bezciśnieniowa, o jakiej wiemy. Podczas gdy standardowe ciśnienie atmosferyczne na ziemi stanowi około 6 × 10^22 atomów wodoru spychających się na każdy metr kwadratowy na powierzchni Ziemi, i podczas gdy najlepsze ziemskie komory próżniowe mogą zejść do około jednej bilionowej tego, przestrzeń międzygwiezdna ma ciśnienie, które jest miliony, a nawet miliardy razy mniejsze od tego!

innymi słowy, istnieje niesamowity spadek zarówno temperatury, jak i ciśnienia, jeśli chodzi o głębiny kosmosu w porównaniu z tym, co mamy tutaj na Ziemi. A jednak to sprawia, że to pytanie jest jeszcze bardziej kłopotliwe.

widzisz, jeśli weźmiesz płynną wodę i umieścisz ją w środowisku, w którym temperatura ostygnie poniżej zera, utworzy ona kryształy lodu w bardzo, bardzo krótkim czasie.

zdjęcie: Wiaczesław Iwanow, z jego filmu na Vimeo: http://vimeo.com/87342468.

cóż, przestrzeń jest naprawdę zimna. Jeśli mówimy o podróży w przestrzeń międzygwiezdną, daleko (lub w cieniu) od jakichkolwiek gwiazd, jedyna temperatura pochodzi z pozostałej poświaty z Wielkiego Wybuchu: kosmicznego mikrofalowego tła. Temperatura tego morza promieniowania wynosi tylko 2.7 kelwinów, który jest wystarczająco zimny, aby zamrozić Wodór stały, a znacznie mniej wody.

więc jeśli zabierzesz wodę w kosmos, powinna zamarznąć, prawda?

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

nie tak szybko! Ponieważ jeśli weźmiesz płynną wodę i zmniejszysz ciśnienie w otaczającym ją środowisku, to się zagotuje. Być może znasz fakt, że woda gotuje się w niższej temperaturze na dużych wysokościach; dzieje się tak dlatego, że nad tobą jest mniej atmosfery, a zatem ciśnienie jest niższe.

możemy znaleźć jeszcze bardziej dotkliwy przykład tego efektu, jeśli jednak umieścimy ciekłą wodę w komorze próżniowej, a następnie szybko ewakuujemy powietrze. Co się stanie z wodą?

gotuje się, i to dość gwałtownie! Powodem tego jest to, że woda w fazie ciekłej wymaga zarówno pewnego zakresu ciśnienia, jak i pewnego zakresu temperatur. Jeśli zaczniesz od płynnej wody o ustalonej temperaturze, wystarczająco niskie ciśnienie spowoduje natychmiastowe zagotowanie wody.

ale z pierwszej ręki, jeśli zaczniesz od ciekłej wody o określonym, stałym ciśnieniu i obniżysz temperaturę, spowoduje to natychmiastowe zamarznięcie wody!

Kiedy mówimy o umieszczeniu ciekłej wody w próżni przestrzeni, mówimy o robieniu obu rzeczy jednocześnie: biorąc wodę z kombinacji temperatury i ciśnienia, gdzie jest stabilną cieczą i przenosząc ją do niższego ciśnienia, czegoś, co sprawia, że chce się zagotować, i przenosząc ją do niższej temperatury, czegoś, co sprawia, że chce się zamrozić.

możesz zabrać płynną wodę w kosmos (na pokładzie, powiedzmy, Międzynarodowej Stacji Kosmicznej), gdzie można ją przechowywać w warunkach ziemskich: w stabilnej temperaturze i ciśnieniu.

ale kiedy umieścisz ciekłą wodę w przestrzeni — gdzie nie może już pozostać jako ciecz — która z tych dwóch rzeczy się dzieje? Zamraża czy gotuje?

zaskakująca odpowiedź jest taka, że robi jedno i drugie: najpierw się gotuje, a potem zamarza! Wiemy o tym, ponieważ tak się kiedyś działo, gdy astronauci czuli wołanie natury w kosmosie. Według astronautów, którzy widzieli to na własne oczy:

Kiedy astronauci wyciekają podczas misji i wyrzucają wynik w kosmos, gotuje się gwałtownie. Następnie para przechodzi natychmiast do stanu stałego (proces znany jako desublimacja), a kończy się chmurą bardzo drobnych kryształów zamrożonego moczu.

istnieje przekonujący fizyczny powód tego: wysokie ciepło właściwe wody.

niezwykle trudno jest szybko zmienić temperaturę wody, ponieważ nawet jeśli gradient temperatury jest ogromny między wodą a przestrzenią międzygwiezdną, woda niesamowicie dobrze trzyma ciepło. Ponadto, ze względu na napięcie powierzchniowe, woda ma tendencję do pozostawania w kulistych kształtach w przestrzeni (jak widzieliście powyżej), co w rzeczywistości minimalizuje ilość powierzchni, którą musi wymieniać ciepło z otoczeniem podrzędnym. Proces zamrażania byłby niezwykle powolny, gdyby nie było sposobu na wystawienie każdej cząsteczki wody na działanie próżni samej w sobie.

ale nie ma takiego ograniczenia w ciśnieniu; jest on efektywnie zerowy Na Zewnątrz wody, więc gotowanie może nastąpić natychmiast, zanurzając wodę w jej fazie gazowej (pary wodnej)!

ale kiedy woda się zagotuje, pamiętaj, o ile więcej objętości gazu zajmuje niż ciecz i o ile dalej od siebie oddalają się cząsteczki. Oznacza to, że natychmiast po zagotowaniu się wody para wodna – obecnie przy efektywnym zerowym ciśnieniu-może bardzo szybko schłodzić! Spójrzmy jeszcze raz na diagram fazy dla wody.

gdy zejdziesz poniżej około 210 K, wejdziesz w fazę stałą wody — lodu — bez względu na ciśnienie. Tak się dzieje: najpierw woda się zagotowuje, a potem bardzo drobna mgła, która się zagotowuje, zamarza, tworząc cienką, drobną sieć kryształków lodu.

Wierzcie lub nie, mamy do tego analogię tutaj na Ziemi! W bardzo, bardzo zimny dzień (musi być około -30° lub mniej, aby to zadziałało) weź garnek z wrzącą wodą i wyrzuć go (z dala od twarzy) w powietrze.

szybkie obniżenie ciśnienia (przejście od wody na wierzchu do tylko powietrza) spowoduje szybkie zagotowanie, a następnie szybkie działanie ekstremalnie zimnego powietrza na parę wodną spowoduje powstanie zamarzniętych kryształów: śniegu!