Si un astronauta arrojara una taza de café al espacio, ¿se congelaría o se convertiría en gas?

Esto fue probado hace casi sesenta años. Usando una taza muy grande llena de 95 toneladas de agua. Se utilizó una segunda etapa vacía de un Saturn I bajo prueba. Solo debe probarse la primera etapa, pero con la carga útil completa de una etapa superior ficticia llena de agua. Maniquíes con los tanques pero sin los caros motores. Los maniquíes deben tener la misma forma y masa que una segunda etapa real y el centro de masa debe estar en la misma posición. La prueba de la primera etapa requería maniquíes con agua de lastre de todos modos, solo se necesitaba una carga explosiva para liberar el agua en el punto más alto.

De esta página de medios archivada de la NASA :

Fecha : 25.04.1962
Título : Saturno I SA-2 Lanzamiento
Descripción : El segundo vuelo del vehículo Saturno I, el SA-2, se lanzó con éxito desde Cabo Cañaveral, Florida, el 15 de abril de 1962. Este vehículo tenía una misión secundaria. Después del cierre de la primera etapa, a una altitud de 65 millas, la etapa superior llena de agua explotó, vertiendo 95 toneladas de agua en la atmósfera superior. La enorme nube de hielo resultante se elevó a una altura de 90 millas. El experimento, llamado Proyecto Highwater, tenía como objetivo investigar los efectos en la ionosfera de la liberación repentina de un volumen tan grande de agua.
ID : MSFC-6203276
Crédito : Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA (NASA-MSFC)

Entonces el agua no se congelaría en un bloque sino en una nube de cristales de hielo. Estas pequeñas partículas de hielo no se derretirían sino que se convertirían directamente en vapor de agua. A esto se le llama sublimación: cuando un sólido pasa directamente a vapor sin un estado líquido entre sólido y gaseoso.

Pero, ¿cómo se convierte el agua en hielo? El agua líquida libera algo de vapor y se enfría por la vaporización. Entonces una parte del líquido se convierte en vapor y el resto en hielo. La vaporización del agua elimina una gran cantidad de energía térmica.

Se redactó un informe de 127 páginas.

Pero, ¿y la taza de café? En gravedad cero no puedes manejar líquidos en vasos. En la cápsula presurizada, el café flotará libre, su forma será de esfera. Si despresurizas la cápsula para exponer el café al vacío del espacio, el agua hervirá a menor presión de aire, una parte se convertirá en vapor y el resto en cristales de hielo. Los cristales de hielo se ventilarán junto con el aire al espacio. Cuando la presión es tan baja que la escotilla se puede abrir, solo quedan muy pocos cristales en la cápsula.

Si desea ver qué sucede con un pequeño volumen de agua en el espacio, necesita una botella cerrada y presurizada para sacar el agua de la cápsula. Si abres la botella, verás la nube de cristales de hielo.

Wikipedia: Proyecto Highwater

No se congelaría en un bloque . Se expandiría y herviría rápidamente, pero no en ebullición. Sin presión, se formarían burbujas en todo el café y se expandirían rápidamente, lo que haría que saliera de la taza tan pronto como soltaras el pestillo que habría sido necesario para sostener la tapa. Pero la evaporación provoca el enfriamiento, por lo que se formarían millones de cristales de café congelado y se dispersarían rápidamente. A nuestra distancia del sol, los cristales se evaporarían (es decir, se sublimarían) con el tiempo. En el espacio profundo, lejos del sol, podrían durar indefinidamente.

Si bien las respuestas existentes me parecen en su mayoría correctas, especialmente en el hecho de que "una parte se convertirá en vapor y el resto en cristales de hielo", creo que omiten una explicación interesante. Es decir, ¿ por qué la evaporación causa enfriamiento? Comprender lo que parece sugerir que el efecto exacto dependerá de la violencia con la que arroje la taza.

Si bien nunca he realizado un experimento de este tipo en 0g, lo he hecho repetidamente en 1g, para explicar este fenómeno en particular. Entonces, comenzaré con la parte que he visto (usar agua y una bomba de vacío).

¿Qué es la evaporación? ¿Es aleatorio qué parte de un líquido se evapora y cuál permanece? No exactamente. En el nivel microscópico son, algo que se explican por sí mismas, las moléculas que rompen la superficie que forman el vapor. Ahora bien, en el líquido, como en otros lugares, las moléculas tienen una distribución de diferentes valores de energía cinética. Los que tienen más probabilidades de escapar son aquellos con la energía cinética más alta. Cuando estos desaparecen, los que se quedaron tienen, en promedio, una energía cinética más baja. Esta energía es precisamente la temperatura - cada vez más baja.

Entonces, las moléculas de mayor energía se convertirán en vapor y las de menor energía en hielo. En 1g, estos permanecen juntos en el fondo del recipiente. Para un poco de especulación de 0-g: dependiendo de qué tan grande sea la taza y qué tan violentamente se arroje, creo que estos restos de baja energía pueden formar cristales de hielo más grandes o más pequeños. La mayoría será vapor de cualquier manera.

Suponiendo oscuridad total y una temperatura del café por debajo del punto de ebullición en el espacio, el café solo puede enfriarse emitiendo radiación. Si el café se tira caliente o frío tiene la única diferencia de que el café caliente tarda un poco más en congelarse que el café frío. Si el espacio está oscuro y al café se le da muchas velocidades, se romperá en pequeñas gotas y se enfriará y congelará. Si las gotas son muy pequeñas, todo el calor se disipará casi inmediatamente. Entonces, si puedes lanzar como rociar, será una buena vista.
La pérdida por radiación del café será la más alta para hojas grandes de café conectado. Una hoja plana de café irradiará su calor más rápido. Entonces, si logras tirar una hoja de café de la taza, verás que la hoja se solidifica. Cuanto más delgada es la hoja, más rápido se congela.
El café congelado terminará en equilibrio termodinámico con el vacío del espacio, alcanzando una temperatura escalofriante de aproximadamente 2,7 (K).

La temperatura del agua está por debajo de la temperatura de ebullición en la Tierra. Pero en el espacio esta temperatura de ebullición es menor. Entonces, si tiene la temperatura de ebullición del espacio, se hervirá en pequeñas gotas, lo que provocará un rocío. No importa cómo lo tires. Para temperaturas más bajas, el escenario anterior es suficiente.