Испаряется ли вода из закрытого сосуда

Первый ответ на вопрос, что станет с водой в открытом космосе, широкой публике дал известный американский писатель-фантаст Айзек Азимов. В его рассказе “Заброшенные у Весты” уцелевшие обитатели осколка космического корабля смогли совершить посадку на астероид, благодаря созданию ракетного двигателя из струи жидкости. Для этого одному из героев пришлось проплавить внешнюю стенку корабельного бака воды. По утверждению героя рассказа, вода одновременно кипела и сублимировалась в вакууме.

Источник изображения: wisgoon.com

А как происходит на самом деле?

Всем известно, что с падением давления точка кипения воды становится все ниже и наоборот, при повышении давления точка кипения растет. При атмосферном давлении вода закипает при привычных нам 100 градусах Цельсия. Если давление увеличить вдвое, то вода закипит уже при 120 градусах (это было прекрасно известно кочегарам паровозов). А вот если давление упадет до 0,07 атмосферного, то вода закипит при комнатной температуре.

Вода в условиях вакуума практически сразу начинает кипеть. Источник изображения: nextews.com

В космосе давление настолько низкое, что его невозможно обнаружить самыми точными земными приборами. Собственно о величине давления в космосе невозможно судить по прямым измерениям, физики в этой ситуации используют различные косвенные методы для определения его значения. Исходя из этого факта можно предположить, что вода в условиях практически идеального вакуума должна мгновенно закипеть.

Все не так просто, как кажется…

Главным фактором вызывающим замерзание воды является температура внешней среды. А в открытом космосе эта температура крайне низкая — примерно 2,7 градуса по Кельвину (рекордные места космоса по холоду имеют и вовсе температуру лишь на полградуса выше абсолютного ноля).

Карта реликтового излучения. Источник изображения nasa.gov

Температура открытого космоса обеспечивается реликтовым излучением, это остатки тепла Вселенной после Большого Взрыва. Такой холод, с другой стороны, должен вызвать мгновенное замерзание жидкости.

Итак, рассмотрение 2 противодействующих факторов — космических давления и температуры не дают однозначный ответ о поведении воды в открытом космосе. В такой ситуации на первый план выходят теплоемкость воды и ее теплопередача. Оказывается теплоемкость воды очень высока, а вот скорость передачи тепла (или его потери) у воды относительно низкая. Охлаждаться же могут только те молекулы, которые непосредственно контактируют с вакуумом. Молекулы же внутри жидкости просто не могут терять температуру.

Но и это еще не все…

Неожиданно в игру включается еще один фактор — силы поверхностного натяжения жидкости. В космосе не только почти полный вакуум и крайне низкая температура, но еще и невесомость. Вся жидкость мгновенно примет шарообразную форму, значит количество молекул подвергающихся охлаждению еще больше уменьшится.

В невесомости жидкость принимает форму шара. Источник изображения: omactiv.md

А вот внутренняя энергия воды останется неизменной. Дальше следует вспомнить, что даже в мороз вывешенная одежда высыхает, так как часть молекул воды всегда имеют достаточно энергии для испарения. И это происходит при нормальном давлении. А в начальный момент энергией для испарения в условиях космического вакуума обладают практически все молекулы жидкости. Охладиться от вакуума они не могут, поскольку с ним не контактируют находясь внутри жидкости, а теплопередача для этого слишком мала.

Что же получается?

Итак, охладиться есть шанс только у молекул находящихся на поверхности жидкости и непосредственно контактирующих с космическим холодом. А практически все остальные молекулы воды имеют внутреннюю энергию достаточно для кипения, ведь давление в космосе ничтожно.

Источник изображения: yousense.info

Раз внутренней энергии достаточно, то она и сыграет первостепенную роль. Вода, помещенная в открытый космос мгновенно вскипит. Молекулы жидкости устремятся в различные стороны и непосредственно войдут в контакт с космическим холодом. Начнется быстрое охлаждение. Только что вскипевшая вода станет стремительно замерзать. В итоге мы получим мелкие льдинки стремящиеся разлететься, ведь импульс у частичек жидкости полученный при кипении никуда не делся.

В результате ответ на вопрос, что произойдет с водой в открытом космосе, звучит так — сначала вода мгновенно вскипит, затем быстро превратится в разлетающиеся частички льда. А Айзек Азимов в своем описании реактивной струи из воды был практически прав.

Продолжаем изучать лекции Р. Фейнмана. О том, как они появились и о том, как Фейнман объяснял студентам строение тел вы можете прочитать здесь >>>

Сегодня вместе с Фейнманом поговорим об атомных процессах.

Итак, начнем.

1. О процессах, происходящих на поверхности воды

Что здесь происходит? Мы усложним себе за­дачу, приблизим ее к реальной действительности, предположив, что над поверхностью находится воздух. Взгляните на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Молекулы воды, испаряющейся в воздух

Мы по-прежнему видим молекулы, образующие толщу воды, но, кроме того, здесь изображена и ее поверхность, а над нею — различные молекулы: прежде всего молекулы воды в виде водяного пара, который всегда возникает над водной поверх­ностью (пар и вода находятся в равновесии, о чем мы вскоре будем говорить). Кроме того, над водой витают и другие молекулы — то скрепленные воедино два атома кислорода, образую­щие молекулу кислорода, то два атома азота, тоже слипшиеся в молекулу азота. Воздух почти весь состоит из азота, кисло­рода, водяного пара и меньших количеств углекислого газа, аргона и прочих примесей.

Итак, над поверхностью воды нахо­дится воздух — газ, содержащий некоторое количество водя­ного пара. Что происходит на этом рисунке? Молекулы воды все время движутся. Время от времени какая-нибудь из молекул близ поверхности получает толчок сильнее остальных и выска­кивает вверх. На рисунке этого, конечно, не видно, потому что здесь все неподвижно. Но попробуйте просто представить себе, как одна из молекул только что испытала удар и взлетает вверх, а с другой случилось то же самое и т. д. Так, молекула за моле­кулой вода исчезает — она испаряется. Если закрыть сосуд, мы обнаружим среди молекул находящегося в нем воздуха множество молекул воды. То и дело некоторые из них снова по­падают в воду и остаются там. То, что казалось нам мертвым и неинтересным (скажем, прикрытый чем-нибудь стакан воды, который, может быть, 20 лет простоял на своем месте), на са­мом деле таит в себе сложный и интересный, беспрерывно иду­щий динамический процесс. Для нашего грубого глаза в нем ничего не происходит, но стань мы в миллиард раз зорче, мы бы увидали, как все меняется: одни молекулы взлетают, другие оседают.

Почему же мы не видим этих изменении? Да потому, что сколько взлетает молекул, столько же и оседает! В общем-то там «ничего не происходит». если раскрыть стакан и сдуть влажный воздух, на смену ему притечет уже сухой; число мо­лекул, покидающих воду, останется прежним (оно ведь зависит только от движения в воде), а число возвращающихся молекул сильно уменьшится, потому что их уже над водой почти не будет. Число улетающих молекул превысит число оседающих, вода начнет испаряться. Поэтому, если вам нужно испарять воду, включайте вентилятор!

2. О том, что происходит с водой при испарении

Давайте подумаем, какие молекулы выле­тают из воды? Если уж молекула выскочила, то это значит, что она случайно вобрала в себя излишек энергии; он ей понадо­бился, чтобы разорвать путы притяжения соседей. Энергия вылетающих молекул превосходит среднюю энергию молекул в воде, поэтому энергия остающихся молекул ниже той, кото­рая была до испарения. Движение их уменьшается. Вода от испарения постепенно остывает. Конечно, когда молекула пара опять оказывается у поверхности воды, она испытывает сильное притяжение и может снова попасть в воду. Притяже­ние разгоняет ее, и в итоге возникает тепло. Итак, уходя, молекулы уносят тепло; возвращаясь — приносят. Когда ста­кан закрыт, баланс сходится, температура воды не меняется. Если же дуть на воду, чтобы испарение превысило оседание молекул, то вода охлаждается. Поэтому, чтобы остудить суп, дуйте на него!

3. О растворении соли

Перейдем теперь к другому процессу. На рис. 1.6 мы видим, как (с атомной точки зрения) соль растворяется в воде.

Рис. 1.6. Молекулы соли, растворяющейся в воде.

Что полу­чается, если в воду бросить кристаллик соли? Соль — твердое тело, кристалл, в котором «атомы соли» расставлены правиль­ными рядами. На рис. 1.7 показано трехмерное строение обыч­ной соли (хлористого натрия).

Рис. 1.7. Структура кристалла соли

Строго говоря, кристалл состоит не из атомов, а из ионов. Ионы — это атомы с излишком или с нехваткой электронов. В кристалле соли мы находим ионы хлора (атомы хлора с лишним электроном) и ионы натрия (атомы нат­рия, лишенные одного электрона). Ионы в твердой соли скреп­лены друг с другом электрическим притяжением, но в воде некоторые из них, притянувшись к положительному водороду или отрицательному кислороду, начинают свободно двигаться. На рис. 1.6 виден освободившийся ион хлора и другие атомы, плавающие в воде в виде ионов. На рисунке нарочно подчерк­нуты некоторые детали процесса. Заметьте, например, что водородные концы молекул воды обычно обступают ион хлора, а возле иона натрия чаще оказывается кислород (ион натрия положителен, а атом кислорода в молекуле воды отрицателен, поэтому они притягиваются). Можно ли из рисунка понять, растворяется ли здесь соль в воде или же выкристаллизовывается из воды? Ясно, что нельзя; часть атомов уходит из кристалла, часть присоединяется к нему. Процесс этот динамический, подобный испарению; все зависит от того, много или мало соли в воде, в какую сторону нарушено равновесие. Под равновес­ным понимается такое состояние, когда количество уходящих атомов равно количеству приходящих. Если в воде почти нет соли, то больше атомов уходит в воду, чем возвращается из воды: соль растворяется. Если же «атомов соли» слишком много, то приход превышает уход, и соль выпадает в кристаллы. Мы мимоходом упомянули, что понятие молекулы вещества не совсем точно и имеет смысл только для некоторых видов веществ. Оно применимо к воде, в ней действительно три атома всегда скреплены между собой, но оно не очень подходит к твердому хлористому натрию. Хлористый натрий — это ионы хлора и натрия, образующие кубическую структуру. Нельзя естествен­ным путем сгруппировать их в «молекулы соли».

Что бы ни говорили об этих лекциях — восторгались сти­лем изложения или сокрушались по поводу ломки старых добрых традиций,— одно остается бесспорным: надо начинать педагогические опыты.

Спасибо тем, кто дочитал статью до конца. В следующей статье поговорим о том, как Р. Фейнман читал лекцию о химических реакциях.