apa îngheață sau fierbe în spațiu?

„Nu poți traversa Marea doar stând și uitându-te la apă.”
-Rabindranath Tagore

dacă ați adus apă lichidă în spațiul cosmic, ar îngheța sau ar fierbe? Vidul spațiului este extrem de diferit de ceea ce suntem obișnuiți aici pe Pământ. Acolo unde vă aflați acum, înconjurați de atmosfera noastră și relativ aproape de soare, condițiile sunt potrivite pentru ca apa lichidă să existe stabil aproape peste tot pe suprafața planetei noastre, indiferent dacă este zi sau noapte.

credit Imagine: NASA Goddard Space Flight Center image de reto St inktictckli, Terra satellite / instrument modis.

dar spațiul este diferit în două moduri extrem de importante: este rece (mai ales dacă nu sunteți în lumina directă a soarelui sau mai departe de steaua noastră) și este cel mai bun vid fără presiune pe care îl cunoaștem. În timp ce presiunea atmosferică standard pe Pământ reprezintă aproximativ 6 atomi de hidrogen 10^22 care împing în jos pe fiecare metru pătrat la suprafața Pământului și în timp ce cele mai bune camere de vid terestre pot ajunge la aproximativ o trilionime din asta, spațiul interstelar are o presiune care este de milioane sau chiar miliarde de ori mai mică decât asta!

credit Imagine: NASA.

cu alte cuvinte, există o scădere incredibilă atât a temperaturii, cât și a presiunii atunci când vine vorba de adâncimile spațiului cosmic în comparație cu ceea ce avem aici pe Pământ. Și totuși, asta face ca această întrebare să fie cu atât mai supărătoare.

vedeți, dacă luați apă lichidă și o plasați într-un mediu în care temperatura se răcește sub îngheț, va forma cristale de gheață într-o ordine foarte, foarte scurtă.

credit Imagine: Vyacheslav Ivanov, din videoclipul său la Vimeo:http://vimeo.com/87342468.

Ei bine, spațiul este foarte, foarte rece. Dacă vorbim despre a merge în spațiul interstelar, departe (sau umbrit) de orice Stele, singura temperatură provine din strălucirea rămasă din Big Bang: fundalul cosmic cu microunde. Temperatura acestei mări de radiații este de numai 2.7 Kelvin, care este suficient de rece pentru a îngheța hidrogenul solid, mult mai puțină apă.

deci, dacă luați apă în spațiu, ar trebui să înghețe, nu?

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

nu atât de repede! Pentru că dacă luați apă lichidă și scăpați presiunea din mediul înconjurător, aceasta fierbe. S-ar putea să fiți familiarizați cu faptul că apa fierbe la o temperatură mai scăzută la altitudini mari; acest lucru se datorează faptului că există mai puțină atmosferă deasupra dvs. și, prin urmare, presiunea este mai mică.

credit Imagine: Thomson învățământ superior.

putem găsi un exemplu și mai sever al acestui efect, totuși, dacă punem apă lichidă într-o cameră de vid și apoi evacuăm rapid aerul. Ce se întâmplă cu apa?

animație de credit: Mr.grodski Chemistry, via YouTube la https://www.youtube.com/watch?v=glLPMXq6yc0.

fierbe și fierbe destul de violent la asta! Motivul pentru aceasta este că apa, în faza sa lichidă, necesită atât un anumit interval de presiune, cât și un anumit interval de temperaturi. Dacă începeți cu apă lichidă la o temperatură fixă dată, o presiune suficient de scăzută va face ca apa să fiarbă imediat.

dar la prima mână, din nou, dacă începeți cu apă lichidă la o anumită presiune fixă și scădeți temperatura, aceasta va face ca apa să înghețe imediat!

credit Imagine: Wikimedia Commons utilizator cmglee.

când vorbim despre punerea apei lichide în vidul spațiului, vorbim despre a face ambele lucruri simultan: luând apă dintr-o combinație de temperatură/presiune în care este stabil un lichid și mutându-l la o presiune mai mică, ceva care îl face să vrea să fiarbă și mutându-l la o temperatură mai scăzută, ceva care îl face să vrea să înghețe.

puteți aduce apă lichidă în spațiu (la bordul, să zicem, Stația Spațială Internațională) unde poate fi păstrată în condiții asemănătoare Pământului: la o temperatură și presiune stabile.

dar când pui apă lichidă în spațiu — unde nu mai poate rămâne ca lichid — care dintre aceste două lucruri se întâmplă? Îngheață sau fierbe?

răspunsul surprinzător este că le face pe amândouă: mai întâi fierbe și apoi îngheață! Știm asta pentru că asta se întâmpla când astronauții simțeau chemarea naturii în timp ce se aflau în spațiu. Potrivit astronauților care au văzut-o pentru ei înșiși:

când astronauții fac o scurgere în timp ce se află într-o misiune și expulzează rezultatul în spațiu, acesta fierbe violent. Vaporii trec apoi imediat în stare solidă (Un proces cunoscut sub numele de desublimare) și ajungeți cu un nor de cristale foarte fine de urină înghețată.

există un motiv fizic convingător pentru aceasta: căldura specifică ridicată a apei.

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

este incredibil de dificil să schimbi rapid temperatura apei, deoarece, deși gradientul de temperatură este imens între apă și spațiul interstelar, apa reține căldura incredibil de bine. Mai mult, din cauza tensiunii superficiale, apa tinde să rămână în forme sferice în spațiu (așa cum ați văzut mai sus), ceea ce reduce de fapt cantitatea de suprafață pe care o are pentru a schimba căldura cu mediul său subzero. Deci, procesul de înghețare ar fi incredibil de lent, cu excepția cazului în care ar exista o modalitate de a expune fiecare moleculă de apă individual la vidul spațiului însuși.

dar nu există o astfel de constrângere asupra presiunii; este efectiv zero în afara apei și astfel fierberea poate avea loc imediat, cufundând apa în faza gazoasă (vapori de apă)!

dar atunci când apa fierbe, amintiți-vă cât de mult mai mult volum de gaz preia decât lichid, și cât de mult mai departe în afară moleculele ajunge. Aceasta înseamnă că imediat după ce apa fierbe, acești vapori de apă — acum la presiune efectiv zero — se pot răci foarte rapid! Să aruncăm o altă privire la diagrama de fază pentru apă.

credit Imagine: Henry greenside de duce, viahttp: / / www.PHY.Duke.edu / ~hsg/363/table-images/water-phase-diagram.html.

odată ce ajungeți sub aproximativ 210 K, veți intra în faza solidă pentru apă — gheață — indiferent de presiunea dvs. Deci asta se întâmplă: mai întâi apa fierbe, apoi ceața foarte fină în care fierbe îngheață, dând naștere unei rețele fine și subțiri de cristale de gheață.

credeți sau nu, avem o analogie pentru asta aici pe Pământ! Într-o zi foarte, foarte rece (trebuie să fie de aproximativ -30 sau mai puțin pentru ca aceasta să funcționeze), luați o oală cu apă clocotită și aruncați-o în sus (departe de față) în aer.

reducerea rapidă a presiunii (trecând de la a avea apă deasupra la doar aer) va provoca o fierbere rapidă, iar apoi acțiunea rapidă a aerului extrem de rece asupra vaporilor de apă va determina formarea cristalelor înghețate: zăpadă!

credit imagine: Mark Whetu, în Siberia.

deci apa fierbe sau îngheață când o aduci în spațiu? Da, așa e.