Сосуд с водой выносят из орбитальной

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.