Agua en el vacío (o espacio) y temperatura en el espacio

Convencionalmente, aunque con justificaciones, se dice que el espacio comienza en la línea Kármán que está a 100 km de la superficie de la Tierra, es decir, todavía bastante cerca. La presión atmosférica a esta altitud cae a alrededor de 0,032 Pa ( wikipedia ), que sigue siendo mucho más que el espacio exterior (menos de$10^{-4}$pa segun wikipedia )

El diagrama de fase del agua muestra que, a este nivel de presión, el agua puede existir solo como sólido o como vapor, dependiendo de la temperatura, pero no como líquido. La transición de fase entre sólido y gas a esa baja presión tiene lugar cerca de los 200°K (alrededor de -73°C), que no es tan frío.

Entonces, si dejas caer en el espacio una gota de agua a temperatura y presión ambiente, instantáneamente comenzará a evaporarse (hervir) y descomprimirse.

Aquí no estoy seguro de lo que sucede. Hay relatos de astronautas en la web que explican que el agua (en realidad, la orina) primero se vaporizará y luego se desublimará en pequeños cristales. Pero ninguna explicación de los fenómenos físicos reales que lo impulsan.

Mi propia reconstrucción de lo que podría pasar (antes de ver estos sitios) es la siguiente.

Primero, la pérdida de presión se propaga muy rápido en el líquido (¿velocidad del sonido?), mientras que la pérdida de temperatura (calor) se propaga lentamente (como saben todos los amantes de la cerveza por su nevera). Entonces, la ebullición esencialmente tendrá lugar de manera uniforme en todo el líquido. La transición de fase de líquido a gas absorbe calor, y eso es lo que enfriará el agua muy rápidamente, ya que se evapora.

Supongo también que la pérdida de energía enfriará el agua hasta la temperatura de sublimación (transición sólido-gas) antes de que se evapore por completo, de modo que algunas partes del líquido pueden enfriarse hasta congelarse antes de que tengan tiempo de evaporarse. Pero como la ebullición tiene lugar en todas partes, en realidad rompe el agua restante en pequeños fragmentos que cristalizan y posiblemente también recogen parte del vapor para crecer.

De todos modos, aparentemente obtienes nieve .

Pero el enfriamiento se debe a la evaporación , que es muy rápida, mucho más que a la radiación que apenas tiene tiempo para producirse.

Evaluación numérica

Analizamos qué pasa con el calor disponible para comprender si algo de agua se congela directamente. Esta es una aproximación muy aproximada ya que las cifras utilizadas en realidad varían un poco con la temperatura, pero no puedo encontrar los valores reales para las temperaturas y presiones extremas que se están considerando.

El calor latente específico de evaporación del agua es de 2270 kJ/kg. El calor específico del agua es 4,2 kJ/kgK Por lo tanto, la evaporación de 1 gramo de agua puede enfriar 2270/4,2 = 540 gramos de agua en 1°K, o 5,4 gramos en 100°K, que es aproximadamente la diferencia entre la temperatura ambiente y el agua ( de)temperatura de sublimación en el espacio. Entonces, mi hipótesis de que no hay suficiente calor disponible para vaporizar toda el agua es correcta, ya que solo una sexta parte del agua puede vaporizarse con el calor disponible.

De 5,4 g de agua, 1 g se evaporará, aunque puede enfriarse justo por encima de la temperatura de sublimación de 200 °K, mientras que los 4,4 g restantes se enfriarán a la temperatura de sublimación sin vaporizarse todavía. Los 4,4 g restantes no pueden permanecer líquidos, por lo tanto, una parte se congela, liberando algo de calor latente para que la otra parte se vaporice. La relación entre las dos partes es inversamente proporcional al calor latente específico para congelar y vaporizar.

El calor latente de congelación es de 334 kJ/kg. La suma de ambos calores latentes es 2270+334=2604 kJ/kg. Estas cifras son muy aproximadas. Como prueba de cordura, el calor latente de sublimación del agua es de aproximadamente 2850 kJ/kg ( wikipedia ), lo que demuestra que las cifras probablemente sean correctas con una aproximación del 10 %.

La proporción divide los 4,4 g restantes en aproximadamente 3,8 g que se congelan y 0,6 g que se evaporan, lo que hace un total de 1,6 g de agua vaporizada.

Entonces, saltándonos un cálculo rápido, encontramos que alrededor del 70% del agua se congela en algún tipo de nieve, mientras que el 30% restante se vaporiza . Y todo sucede bastante rápido.

De hecho, me inquietaba este relato de las historias de los astronautas sobre el agua hirviendo y luego desublimando a la vez, porque eso nos dejaría con todo el calor para deshacernos de él muy rápidamente. ¿Cómo? ¿Alguien tiene una cuenta mejor?

Una última observación es que siempre habrá alguna parte del agua que se congele. Inicialmente pensé que el agua muy caliente podría proporcionar suficiente calor para vaporizarse completamente a baja presión. El punto crítico del agua líquida está a 650°K (con una presión mucho más alta de la que te gustaría crear en el espacio: 22MPa), que está solo 450° por encima de la temperatura de sublimación. Pero el agua debe enfriarse a 540 ° para proporcionar suficiente calor para evaporarse por completo. Por lo tanto, la temperatura del agua caerá hasta el umbral de sublimación antes de que se pueda suministrar suficiente calor para evaporarla por completo. Sin embargo, este probablemente sea un análisis muy simplista. El resto lo dejo a los especialistas.

La transferencia de calor ocurre por tres métodos, convección, conducción y radiación. Solo la radiación ocurre en el vacío porque, a diferencia de los otros dos métodos, es el único método que no necesita un medio material.

La temperatura del agua no desciende en la tierra (nivel del mar), porque a medida que el agua irradia calor, recibe ese calor de regreso, por la radiación que cae sobre ella de la materia circundante, incluido el aire que nos rodea, poniéndolo en un estado de equilibrio térmico con su entorno.

En el vacío, ese calor perdido debido a la radiación no será reemplazado, por lo tanto, el agua perdería ese calor a un ritmo mucho mayor y se congelaría.

Con respecto a su pregunta: "¿entonces el agua a presión normal estaría más fría?", No, la única diferencia es que en el vacío, la temperatura del agua es más que suficiente para hervir el agua debido a la falta de presión.

Sin embargo, al nivel del mar, debe ser "más caliente" ~ (100 C) debido a la mayor presión. Utilizará ese calor para evaporarse, se enfriará un poco debido al cambio de fase y el vapor se enfriará gradualmente para igualar la temperatura ambiente mediante los tres métodos que mencioné anteriormente. Verifique esto para obtener más detalles sobre los métodos HT: transferencia de calor .

En cuanto a su segunda pregunta; sobre el calentamiento de un tubo de vacío. Lo que sucederá es que el propio material del tubo se calentará. Sin embargo, si se coloca otro objeto en algún lugar dentro de ese tubo, recibirá calor por radiación (el mismo método por el que nos llega el calor del sol) desde la pared interna del tubo, y comenzará a irradiar calor (ondas electromagnéticas) por sí mismo.

Ese objeto dejará de calentarse cuando el calor que irradia sea igual al calor que recibe de la pared interna de ese tubo.

Tenga en cuenta que no ha proporcionado ninguna dimensión o cantidad con respecto al agua o el tubo, por lo que mi respuesta hacia ambos experimentos es un caso general.

Tu explicación es correcta. El enfriamiento se debe a que cada mol de agua que se evapora elimina un calor latente molar de vaporización .

El calor latente de vaporización no depende de la presión, o al menos depende muy poco de la presión, por lo que la evaporación enfría el agua a cero centígrados y luego la congela.

Parece que en la mayoría de los lugares que he leído (en la web) la gente se refiere a la despresurización del agua (en el vacío o en el espacio) como "hirviendo", pero muy rara vez he visto que esto se refiera a la desgasificación del interior del agua. gases disueltos (nitrógeno, oxígeno, CO2 o cualquier otro gas que pueda utilizarse en un vehículo espacial). Sin embargo, a diferencia de la ebullición tradicional que libera moléculas de vapor (H2O) del agua, colocar agua en una cámara de vacío hace que el agua parezca hervir, pero al repetir este experimento (volver a exponer la misma agua al vacío) el "ebullición El evento se reduce significativamente, dando como resultado la congelación sin mucha alteración del agua. Han pasado varios años desde que fui testigo de este experimento repetido en una campana de vacío de laboratorio, pero la mejor explicación en ese momento fue que la cantidad de gases disueltos era mucho menor en la muestra de agua cuando la misma muestra se reexponía relativamente rápido al vacío. Lo que no recuerdo es si el agua tardó más en congelarse tras la exposición posterior al vacío o no. Si la exposición subsiguiente al vacío tomó más tiempo para que el agua se congelara, entonces la explicación sería que la temperatura del agua se redujo por el evento de "ebullición", acercando el agua a la congelación por esta reducción de temperatura. Sin embargo, parece deducirse que el agua se congela por la reducción de la presión del gas en su interior a medida que las partículas de materia energizadas (los gases) escapan del agua, y la energía de movimiento de las moléculas de agua se reduce por su exposición al vacío. , y esto permite la formación de cristales de hielo que dan lugar a un estado sólido en un vaso de precipitados o plato (ligado por la gravedad) o un estado similar a la nieve suspendido en el espacio. Además, como se señaló en las observaciones del astronauta, se pueden formar cristales similares a la nieve debido a los puntos de nucleación dentro del líquido debido a las diversas proteínas que se encuentran en la orina.

El cambio de fase (sublimación) del agua de hielo a vapor ocurre en una ventana relativamente estrecha. Si la muestra de hielo pudiera permanecer a una temperatura por encima de cierto nivel, todo se evaporaría en el vacío del espacio. La evaporación y las temperaturas bajo cero del espacio en realidad enfrían la muestra por debajo de la ventana de cambio de fase, por lo que permanece como hielo. Justo debajo del punto de congelación, con una presión constante (alrededor de 500 mTorr), el proceso de evaporación/sublimación enfriará la muestra por la ventana y detendrá el proceso de sublimación mientras el sistema busca estabilizarse. En este sistema, si se deja solo, alrededor del 30% de la muestra se convertiría en vapor y el resto se retendría como hielo cuando el sistema se estabilizara. Para mantener el proceso en marcha, se debe aumentar la temperatura o la presión. En el espacio, AMBOS bajan y detienen el proceso muy rápidamente.