¿Qué pasaría con una esfera de 10 metros de agua a temperatura ambiente si se libera al espacio?

Hierve, luego el vapor se congela.

No se congela directamente porque el agua es excelente para retener el calor, y la única forma de disipar el calor en el vacío es la radiación, no la convección. Sin embargo, no hay restricción en la presión y, como sabemos, la baja presión hace que el agua hierva. El proceso de ebullición actúa para llevar el calor y separa el agua en una fina niebla que luego se congela en copos.

Es una especie de cuestión de área de superficie versus volumen, la pérdida de calor ocurre a través del área de superficie, pero todo el volumen se ve afectado por la presión, por lo que sus efectos son más fuertes.

¿Qué pasaría con el agua?
El agua en la esfera experimentará una presión de vapor que corresponde a su temperatura, según la ecuación de Antoine, https://en.wikipedia.org/wiki/Antoine_equation . Mientras haya presión atmosférica sobre el agua, la esfera mantendrá su condición "estática". Sin embargo, tan pronto como la esfera experimente el vacío, ya no habrá presión ambiental sobre la esfera, y la presión de vapor del agua dentro de la esfera provocará inmediatamente la ebullición. La presión dentro de la esfera, debido a la presión de vapor del agua en la esfera, conduce a una fuerza neta hacia afuera en cada pequeña pieza de la esfera, y la esfera inmediatamente se llena de pequeñas burbujas de vapor y, como resultado, comienza a expandirse hacia afuera.

Temperatura dentro de la esfera
El calor necesario para provocar la ebullición del agua en la esfera proviene del agua misma, por lo que la temperatura del agua en la esfera inmediatamente comienza a descender al exponerse a condiciones de vacío. La tasa de ebullición es proporcional a la diferencia de temperatura entre el agua en la esfera y la temperatura de "equilibrio" dictada por la ecuación de Antoine en condiciones de vacío (ligeramente inferior a 0 grados C). Esto significa que la tasa de ebullición disminuirá logarítmicamente a medida que continúe la ebullición y la temperatura siga bajando. Este proceso continuará y, suponiendo que se mantengan las condiciones de vacío total, una parte del agua que quede, en forma de gotitas, se congelará. El hielo resultante se sublimará lentamente y finalmente se evaporará por completo.

Presión sobre la persona
La persona en la esfera experimenta inicialmente la presión ambiental producida por el aire en la esclusa de aire. Suponiendo que la persona se encuentra en un entorno de microgravedad, no habrá una contribución significativa a la presión experimentada por esa persona debido a la cantidad de agua que la rodea, ya que la presión estática del agua viene dada por la fórmula$P=\rho g h$, dónde$g$se aproxima a cero. Esto conduce a un efecto desafortunado para la persona en el re-respirador. Esa persona debe necesariamente respirar oxígeno a la presión ambiental, lo que significa que cuando se produzcan condiciones de vacío, la persona no recibirá oxígeno. Además, esa persona tiene una temperatura central de 98.6 grados F, que está sustancialmente por encima de la temperatura de "equilibrio" dictada por la ecuación de Antoine, lo que significa que la sangre de la persona generará burbujas de vapor muy rápidamente y cualquier gas disuelto saldrá de la solución. . Obviamente, esta condición es fatal.

Es un mito perenne pero pernicioso que el agua líquida se convertiría en vapor en el espacio si la presión se liberara repentinamente. Aunque la diferencia de energía libre (entre el agua y el vapor ultratenue) favorecería la vaporización, la evaporación es muy endotérmica. El agua debe adquirir el calor de vaporización (más de 500 cal/g) del ambiente y/o debe enfriarse. La entrega de calor en el espacio es especialmente lenta porque las únicas fuentes son la luz solar y la radiación IR de la Tierra debajo, o en su escenario, la estación espacial.

En cuanto al destino infeliz del astronauta Aqualung en medio de su bola de agua, la despresurización del hangar resultaría casi inmediatamente en la despresurización de su entorno también. Dado que el rebreather no está diseñado para mantener la presión, moriría de anoxia mucho antes de quedar encerrado en hielo, lo que finalmente lo sublimaría, dejando su cadáver congelado. (La sola idea me hace hervir la sangre, pero solo en sentido figurado).

Mi mejor conjetura:

El agua comenzará a hervir uniformemente. En el interior se retarda la ebullición porque se dificulta la expansión. Después de que algo más de la mitad del volumen de agua se haya transformado en burbujas, el líquido restante se congela. Esto sucede primero cerca de la superficie. A medida que el líquido del interior continúa expandiéndose, el agua escapará violentamente a través de agujeros y grietas, convirtiéndose en neblina de hielo. Una estructura de hielo similar a un queso suizo, que posiblemente se deshaga en muchos pedazos, permanece que se sublima lentamente.