Недавно один из читателей нашего телеграм-канала задал вот такой 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 вместе разберемся, что произойдет.
Температура разреженных веществ в космическом пространстве сильно меняется в зависимости от их местоположения. Давайте упростим ситуацию и рассмотрим, что случится, если ведро с водой окажется на орбите Земли, в тени, где температура может опускаться до минус 170 градусов.
Возможно ли охлаждение в космическом вакууме?
Существуют три основных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Первые два метода требуют прямого контакта тела (в данном случае - жидкости) с другими телами. Это означает, что передача тепла происходит только при наличии контакта. Например, в земной атмосфере вода в ведре обменивается теплом со стенками ведра и атмосферой.
Но тепловое излучение действует независимо от окружающих веществ. Каждое нагретое тело излучает тепловую энергию. Тепловое излучение распространяется во все стороны и передается другим телам, находящимся на пути этого излучения. В вакууме тепловое излучение - это единственный механизм передачи тепла. Например, именно так тепло от Солнца доходит до Земли. Именно этот метод позволяет охлаждению и замерзанию вещества в космосе. Вещество начнет излучать тепловую энергию, постепенно снижая свою температуру.
"Удивительное" кипение в вакууме.
Температура, при которой жидкость начинает кипеть, зависит от давления окружающей среды. Например, при повышении атмосферного давления в два раза, температура кипения воды может составить около 120 градусов, а при снижении давления до 7% нормы - всего лишь 20 градусов Цельсия. Это известный факт, подтвержденный, например, опытами альпинистов: вода начинает кипеть при гораздо ниже 100 градусов на высоких горных вершинах. В космическом вакууме давление настолько низкое, что его невозможно измерить напрямую. В таких условиях вода начнет кипеть мгновенно, независимо от температуры. И, как может показаться странным, именно это кипение может привести к замерзанию воды.
Как кипящая вода может замёрзнуть?
В процессе кипения вода будет выделять огромное количество тепла, и ее температура будет быстро понижаться, гораздо быстрее, чем при передаче тепла через тепловое излучение. Это можно сравнить с ощущением охлаждения, когда большое количество газа быстро выходит из баллона с дезодорантом. Такая же ситуация и при кипении воды.
В зависимости от формы и размеров сосуда вода может успеть покрыться ледяной коркой, которая препятствует дальнейшему кипению. Таким образом, вода будет медленно охлаждаться за счет теплового излучения. Однако для этого сосуд должен быть объемным и иметь узкое горлышко, наподобие винной бутылки. Затем, в условиях вакуума, вода начнет сублимировать, то есть прямо из творожного состояния перейдет в газообразное. С течением времени весь лед будет испарен, и можно сказать, что вода сначала частично испаряется, затем замерзает и, наконец, полностью испаряется.
А что будет, если отправить воду в космос без посудины?
Если мы просто выпустим воду в космос, то защитной оболочки не будет, и вода будет рассеяна вокруг при кипении в виде мельчайших капель. Некоторая часть воды быстро испарится, в то время как остальная превратится в микроскопические кристаллы льда. Эти кристаллы также начнут сублимировать, переходя прямо из твердого состояния в газообразное, и этот процесс продолжится до полного испарения.