Открытый сосуд с водой в космосе

Недавно от одного из подписчиков нашего телеграм канала я получил следующий вопрос:

Известно что понижение температуры вещества осуществляется за счёт поглощения энергии другим веществом. В космосе – почти вакуум, а значит, не смотря на низкую температуру, замерзание невозможно. Что же случится с ведром воды, гипотетически вылитым в открытый космос?

Давайте разберёмся вместе, что же произойдёт.

Ведро воды в космосе: замёрзнет или испарится?

Температура разреженного вещества в космическом пространстве сильно колеблется в зависимости от того где это вещество находится. Для простоты наших рассуждений будем рассматривать ситуацию, когда наше ведро с водой оказалось на орбите Земли, в её тени, где температура может опускаться до минус 170 градусов.

Возможно ли охлаждение в космическом вакууме?

Существует три типа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Для первых двух способов необходимо, чтобы тело ( в данном случае жидкая вода) находилось в прямом контакте с каким-либо другим телом. Только при наличии контакта происходит передача тепла, Так например в земной атмосфере вода в ведре обменивается теплом со стенками ведра и воздухом атмосферы.

Ведро воды в космосе: замёрзнет или испарится?

А вот тепловое излучение работает независимо от наличия вещества вокруг тела. Любое нагретое тело постоянно испускает тепловое излучение. Тепловое излучение «разлетается» во все стороны и тепло передаётся любому другому телу, которое окажется на пути этого излучения. В условиях вакуума тепловое излучение является единственным механизмом теплопередачи. Именно этим способом тепло передаётся например от Солнца к Земле. Поэтому охлаждение и замерзание вещества в космосе вполне возможно. Вещество будет просто испускать излучение уменьшая свою температуру.

«Странное» кипение в вакууме.

Температура, при которой жидкость закипает, зависит от давления окружающей среды. Так если увеличить атмосферное давление в 2 раза, то вода закипит при температуре около 120 градусов, а если снизить давление до 7% от нормы, то вода закипит уже при 20 градусах Цельсия. Этот факт хорошо известен например альпинистам: вода высоко в горах закипает не достигнув 100 градусов по Цельсию. В условиях космического вакуума давление настолько низкое, что его невозможно зафиксировать прямым измерением. Вода в таких условиях мгновенно закипит независимо от температуры и, как ни странно, именно это может привести её к замерзанию.

Кипящая вода при температуре 20 градусов в условиях низкого давления

Как кипящая вода может замёрзнуть?

За счёт кипения вода будет отдавать огромное количество тепла и её температура будет быстро снижаться, намного быстрее чем от теплового излучения, каждый, кто хоть раз выпускал из баллона с дезодорантом много газа за раз, мог ощутить, насколько жидкость в баллоне охлаждается при этом. Аналогичная ситуация и с кипением воды.

В зависимости от формы и размеров емкости вода может успеть покрыться ледяной коркой, которая предотвратит дальнейшее кипение и вода будет медленно остывать за счёт теплового излучения, но для этого посудина должна иметь большой объём и узкое горлышко, как например у винной бутылки. После этого в условиях вакуума вода будет сублимировать, то есть переходить из твёрдого напрямую в газообразное состояние. Со временем весь лёд перейдёт в газообразное состояние, так что, можно сказать, что вода сначала частично испарится, потом замёрзнет, а потом испарится полностью.

А что будет, если отправить воду в космос без посудины?

Если же мы выплеснем ведро воды в космосе, то защитная корка не сможет образоваться, вода будет разбросана кипением в окружающее пространство в виде мелких капель, часть воды быстро испарится, а остальная образует микроскопические кристаллы льда, которые, в свою очередь, также будут сублимировать вплоть до полного испарения.

Авторы: астрофизик Фёдор Карасенко, кандидат технических наук Александр Петров

Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!

Вопрос, кстати, очень интересный и заслуживает экспериментальной проверки. Предсказать, что будет на самом деле, не просто. Может взорвется, а может и нет. При этом, и вода в невесомости, и вода в вакууме при земной гравитации вполне хорошо изучены.

1. Вода в невесомости. Известно, что свободно летающая жидкость в невесомости принимает форму шара, но это явление вызывает какой-то нездоровый фанатизм. Не в каждом сосуде жидкости не терпится принять форму шара. Часто поверхностная энергия на границе жидкость-твердое тело ниже, чем на границе жидкость-газ или жидкость-вакуум. Это легко установить по углу смачивания. Угол меньше 90 градусов – жидкость прилипает к сосуду и в невесомости она ни о каком шаре и не подумает. Напротив, она еще сильнее расползётся по стенкам сосуда, возможно вплоть до того, что в форме шара окажется пузырь воздуха в центре сосуда.

2. Пузырьки в воде в невесомости. Пузыри в невесомости не так разрушительны как при гравитации. За счет гравитации пузыри стремятся вверх и лопаются на поверхности. В невесомости пузырям, по большему счету, все равно где находится. Идеальное место – в центре жидкости, но это не так критично. Если в жидкости только один пузырь, он будет находится в центре и будет расти пока стенки жидкости устойчивы, т.е. долго. Если пузырей несколько, то они “отталкиваются”. Их форма искривляется и может оказаться нестабильной. Это заканчивается либо слиянием пузырей, либо лопанием какого-нибудь пузыря рядом с поверхностью (см. видео https://www.youtube.com/watch?v=q9Sh1-DPcEg начиная с 2:45). Лопание пузырей, однако, в невесомости происходит реже, чем при гравитации.

3. Вода в вакууме. Во-первых, не надо путать испарение с кипением. Кипение – есть сложный динамический процесс, протекающий с образованием пузырьков. Переход жидкости в газ есть испарение, и возможно только на поверхности, в т.ч. и поверхности пузырьков. Интенсивность кипения зависит от наличия в жидкости “зародышей” пузырьков. Такими зародышами могут быть микропузырьки на какой-нибудь твердой примеси либо микропузырьки образовавшиеся в результате флуктуации. Внутри пузырька давление выше из-за поверхностного натяжения. Чем меньше пузырек, тем выше давление. Если парциальное давление жидкости в пузырьке выше давления насыщенного газа, то испарения в этом пузырьке не происходит. Понятно, что примеси для кипения предпочтительнее, чем флуктуации. Чистая вода при комнатной температуре не очень-то кипит даже в вакууме. Другим фактором, вызывающим кипение является растворенный воздух. Вот типичное видео кипения воды в вакууме при комнатной температуре: https://www.youtube.com/watch?v=NK_BCS0CuLc
На 50-й секунде мы наблюдаем большое количество пузырьков, но это – растворенный воздух. На 1:10 кипение становится весьма умеренным. Оно выглядит как ряд взрывов, но в невесомости может быть иным, т.к. в невесомости пузырьки остаются в жидкости и не стремятся вверх.

Итак. Испарение воды в вакууме будет, но “мгновенно” она не выкипит. Интенсивность кипения будет зависеть от количества растворенного воздуха и примесей, и температуры. Скорее всего, на начальном этапе образуется много пузырьков, которые либо приведут к полному разрушению, либо будут мирно в ней “плавать” сливаясь с друг другом. Далее рост и образование пузырей замедлится. Это замедление будет выражено больше, чем при гравитации, т.к. в невесомости площадь поверхности “капли” будет также расти и будет сравнима с поверхностью пузырей. О форме жидкости сказать сложно. Скорее всего, она будет оставаться в сосуде, пока будет умещаться внутри вместе со всеми пузырями. После этого, она скорее всего начнет окружать сосуд пока не “поглотит” его и тогда только примет форму шара. В маловероятном случае, когда сосуд не смачивается жидкостью, жидкость отделится от сосуда при первой же возможности. В какой-то момент жидкость начнет замерзатью. Какая-то часть воды отделится в качестве мелких частичек, но большая часть, скорее всего, останется вместе.