Co się stanie z wodą w próżni kosmicznej?

[Gość: ciekawy]

Ot, gdzieś tam wylana ze statku kosmicznego...
Natychmiast wyparuje?
Zamarznie i w takiej postaci będzie wędrować?
Zamarznie i następnie wysublimuje?
Inne możliwości?

[Gość: Janek]

Trochę intuicji możesz nabrać wyszukując na YouTube filmiki frazą "water in
vacuum". Przy zerowym ciśnieniu, woda oczywiście cały czas wrze. Uciekająca para
wodna zabiera energię, aż temperatura tego co zostanie obniży się na tyle, że
się to zestali. W przypadku wody "wylanej" należałoby spodziewać się wyparowania
mniej więcej 2/3 objętości i zestalenia reszty w małe kryształki lodu.

[Gość: ciekawy]

A te kryształki nie będą sublimować?

[Gość: pioc]

> A te kryształki nie będą sublimować?

zależy gdzie. Jak temp. jest b. niska, to i sublimacja będzie minimalna.

[szefunio1]

Dokładniej - zależy to od odległości od Słońca.
Będą intensywnie sublimować w miejscach gdzie temperatura jest wyższa niż 1 st
C. (temperatura wrzenia w próżni) czyli mniej więcej do orbity Marsa.

[Gość: Ktoś]

Pomyślmy,
po pierwsze jest to próżnia, więc można oczekiwać, że najpierw "wyrówna się
ciśnienie", czyli woda rozpadnie się w obłok wody. Co do zamarznięcia, to nie
wydaje mi się to procesem tak szybkim jak niektórzy sugerują. To jest próżnia,
więc woda nie będzie oddawała swojej energii wewnętrznej przez próżnię. Jedyna
droga, to promieniowanie. Pytanie tylko, czy bilans cieplny energii oddanej
przez promieniowanie będzie większy od energii otrzymanej ze słońca. Jak
większy, to z czasem woda zamarznie jako obłok lodu. Mylę się?

[tetlian]

Ciekawy temat. Tak więc temperatura wrzenia wody w próżni wynosi 1 stopień C. A
te 100 stopni C, to temperatura wrzenia poza próżnią, czy tylko na Ziemi? Czy
też może na innych planetach w różnych atmosferach, ta temperatura jest inna?
Czy wszędzie taka sama?

[Gość: Monimolimnion]

Ciekawy temat. Tak więc temperatura wrzenia wody w próżni wynosi 1 stopień C. A
> te 100 stopni C, to temperatura wrzenia poza próżnią, czy tylko na Ziemi? Czy
> też może na innych planetach w różnych atmosferach, ta temperatura jest inna?
> Czy wszędzie taka sama?

Temperatura wrzenia wody, a wiec temperatura w jakiej woda zaczyna parowac w
calej objetosci zalezy od cisnienia. Mowimy ze preznosc pary przewyzszyla
cisnienie zewnetrzne. W 100oC woda wrze tylko na poziomie morza, im wyzej tym
temperatura nizsza. W prozni przed wrzeniem powstrzymuje ja tylko napiecie
powierzchniowe.

[tetlian]

Dzięki za wyjaśnienie. To teraz mnie zastanawia kolejna rzecz. Skoro temperatura
wrzenia na poziomie morza wynosi 100 C, a w próżni prawie 0 C, czyli tyle co
zwykle zamarzanie, to czy odnosi się to w dokładnie taki sam sposób do innych
substancji? Czyli w próżni temperatura ich wrzenia jest taka jak zamarzania?

[szefunio1]

pl.wikipedia.org/wiki/Punkt_potr%C3%B3jny

Różna w róznych warunkach.

[Gość: xxx]

tetlian napisał:

> Ciekawy temat. Tak więc temperatura wrzenia wody w próżni wynosi 1 stopień C.
A
> te 100 stopni C, to temperatura wrzenia poza próżnią, czy tylko na Ziemi? Czy
> też może na innych planetach w różnych atmosferach, ta temperatura jest inna?
> Czy wszędzie taka sama?

Nawet na Ziemi nie jest wszędzie taka sama. Wysoko w górach, przy bardzo
obniżonym ciśnieniu może wrzeć już w temperaturze 60 st. C

Aby temperature wrzenia przy róznych ciśnieniach

[Gość: t0g]

poznać, bierze się po prostu coś, co się nazywa "diagramem fazowym" danej
substancji we współrzędnych T,p (temperatura, cisnienie).

Diagramy fazowe najróżniejszych substancji można zanaleźć w literaturze fachowej

[Gość: t0g]

np. tutaj:

www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/c123/phasesdgm.html
"Temperatura wrzenia" nie jest zbytnio fachowym terminem, tylko raczej
potocznym. Fachowo mówi się nie "boiling temperature", tylko "vaporization
temperature".

Ale "vaporization temperature" przy danym cisnieniu odczytana z diagramu
fazowego to właśnie jest temperatura wrzenia przy tym ciśnieniu.

Termodynamika nie lubi słowa "wrzenie", bo podstawowa wersja tej nauki
zasadniczo zajmuje się stanami równowagi i tzw. procesami odwracalnymi, a
wrzenie oczywiście nie jest procesem równowagowym i zdecydownie nie jest
procesem odwracalnym (w rozumieniu termodynamiki).

Oczywiście, jest tez termodynamika procesów nieodwracalnych - piekielnie
skomplikowana matematycznie teoria, nawiasem mówiac. Ale podstawowa terminologia
pochodzi od tej najklasyczniejszej wersji termodynamiki.

Oczywiscie nie chcę twierdzić, ze termin "temperatura wrzenia" jest jakos na
indeksie - wrzenie to jest jak najbardziej realne zjawisko fizyczne. Chciałem
raczej powiedziec tyle, ze jak się szuka temperatury wrzenia w literaturze, to
mozna nie znaleźć takich danych, natomiast będzie podana "vaporization
temperature" - po polsku chyba "temperatura odparowywnia"? No i ta temperatura
odparowywania to zasadniczo to samo, co temperatura wrzenia.

[Gość: t0g]

Dane dotyczace temperatury wrzenia czy temperatury odparowywania są bardzo
często podawane w "odwrotny" sposób, mianowicie, podana jest temperatura pary
nasyconej przy danym ciśnieniu. Wrzenie to jest proces, który następuje, kiedy
cisnienie pary nasyconej danej substancji zrównuje sie z cisnieniem, któremu
substancja jest poddana. Czyli np. dla wody bierzemy ciśnienie atmosferyczne i
odczytujemy z tabel, ze temperatura pary nasyconej wynosi wtedy 100 stopni C.
Czyli juz wiemy, jaka jest temperatura wrzenia pod normalnym cisnieniem (hi, hi,
wiemy i bez tego, nie?).

Ale, jesli np. ktos chce znac temperaturę wrzenia na szczycie Mount Everestu, to
powinien najpierw sie dowiedzieć, jakie tam jest cisnienie powietrza -
następnie z tabel znależć temperaturę pary nasyconej dla tego cisnienia, no i to
będzie własnie poszukiwana temperatura wrzenia.

Jesli sie nie ma tabel, to mozna temperature wrzenia dla innych cisnień z dosc
dobrym przybliżeniem wyliczyć sobie z tzw. "Równania Clapeyrona-Clausiusa".
Wystarczy znac tylko cieplo parowania przy normalnym cisnieniu atmosferycznym i
ciezar cząsteczkowy substancji. Wzor Clapeyrona-Clausiusa jednak mozna stosować
tylko w stosunkowo niewielkim zakresie zmian cisnienia. Daje on calkiem poprawną
wartość, gdy chcemy obliczyc temperature wrzenia dla, dajmy na to, cisnienia
równego połowie normalnego cisnienia atmosferycznego, czy dwukrotnie wyższego
cisnienia. Ale jesli sie chce znac temperature wrzenia przy ciśnieniu, dajmy
na to, tysiąc razy mniejszym od atmosferycznego, to trzeba juz szukac w tabelach.

Wzór Clapeyrona-Clausiusa, dodam jeszcze, wyprowadza sie niesłychanie prosto.
Tyle, ze trzeba wiedziec, co to jest Funkcja Gibbsa...

[Gość: jajacek]

temperatura wyższa niż 1 st
> C. (temperatura wrzenia w próżni) ??

Chyba 1 Kelvin, nie 1 stopien Celcjusza

Słuszna uwaga, bo z dyskusji wynika, że od...

[Gość: Wacuś]

...orbity Wenus mniej więcej mozna by się opalać w próżni kosmicznej.
Dyskutanci chyba przeoczyli słowo "kosmiczna".
Zgodnie z moją wiedzą woda - woda w otwartej przestrzeni kosmicznej powinna
niemal natychmiast się zestalić. Oczywiście zależy ile jest tej wody lecz
ogólnie stanie się to w mgnieniu oka.

[Gość: t0g]

wyobrażenie. Bo woda jest zawsze w naczyniu. Przy braku ciązenia pojawi sie
dodatkowo taki efekt, ze para powstająca przy wrzeniu natychmiat "rozpirzy" taki
"chlust" wody na drobniutkie kropelki, więc, jak przypuszczam, powstanie cos w
rodzaju rzadkiego obłoku snieżnego pyłu.

Ale pytanie jest naprawdę dobre, uważam, i mozna by się zwrócic z nim do speców
z NASA, którzy mają za zadanie odpowiadać na podobne pytania ze strony
"szerokiej publicznosci".

[Gość: wodnik]

W kosmosie chyba nie występuje woda w jakiejkolwiek postaci.
Pewnie H2O zmieni się na H2 i O,
promieniowanie rozwali wiązania lub coś tam...

Wody w Kosmosie jest co niemiara. Wszystkie ciala

[zwyczajny]

małe i średnie Układu Słonecznego za pasem planetoid skladaja się z
zamarzniętej wody i skał. Dużo wody zawierają wielkie planety.
Woda sublimuje i paruje a także się rozkłada bliżej Słońca.
Pzdr

[Gość: titta]

Komety i planetoidy sa w duzej czesci "zrobione" z wody, a konkretnie lodu.
Sublimuja w poblizu Slonca.

[Gość: wodnik]

> Komety i planetoidy sa w duzej czesci "zrobione" z wody, a konkretnie lodu.
> Sublimuja w poblizu Slonca.

Komety są z lodu (podobno), ale nie tego wodnego,
tam masz azot, może CO2 i inne zestalone gazy.

A co mnie to obchodzi

[Gość: nobody]

j.w.

Cogito, ergo sum.

[Gość: Z]

kurde

[Gość: yamabushi]

zawsze (od podstawowki) myslalem ze w kosmosie jak woda wrze (paruje cala objetoscia) to po prostu
sie cala "wygotuje" ... nigdy nie myslalem co sie z nia dzieje dalej - co sie dzieje z tym "oblokiem"? ... i
skad sie wlasciwie bierze w przestrzeni lod skoro zanim woda zamarznie to wyparuje ...

POZDRAWIAM

[ssamiec]

Dobry topic.

Tak na prawdę pytanie nie jest dobrze postawione, bo nie podałeś temperatury
tejże wody (czyli de facto średniej energii kinetycznej drgań molekuł).

Jeśli wyrzucisz z rakiety bryłkę lodu w okolicach 0 K to będzie po prostu małą
kometą i tylko promieniowanie ze Słońca będzie ją niszczyć (powolutku)

Jeśli zaś jest to woda pod ciśnieniem atmosferycznym panującym w rakiecie (czyli
w warunkach odpowiednich do życia kosmonautów) czyli jakieś ~290 K to
błyskawicznie zacznie wrzeć całą objętością i się jak to określił jeden z
poprzedników "rozpirzy" ;-)

Ciekawe mogą zaś być efekty gdy wyrzucimy bryłkę lodu z lodówki kosmonautów
czyli coś o temp ~260 K (= -13*C), prawdopodobnie też zacznie natychmiast wrzeć.

Zapewne istnieje pewna graniczna temperatura, pewnie coś pare-parenaście
kelwinów (zgaduję) pomiędzy wrzeniem i pozostawaniem bryłką. Tzn taka
temparatura w której drgania cieplne molekuł będą prawie takie duże aby wyrwać
się z pola oddziaływań dipolowych sąsiadów. Albo jeszcze lepiej: ponieważ
fluktuacje energii kinetycznej mogą być dowolnie duże tylko z b. małym
prawdopodobieństwem zapewne ten proces odlatywania poszczególnych molekuł będzie
występować zawsze (chłodząc przy okazji resztę bryłki - bo odlatująca molekuła
odbiera sporą część energii)

Takie jest moje zdanie.
SSamiec

Btw w wodzie tzw wiązania wodorowe są bardzo silne i molekuły mają dosyć
uporządkowaną strukturę (fizycy coś takiego nazywają ciałem stałym albo
kryształem). To tak na marginesie.

[Gość: w++]

ssamiec napisał:

> w warunkach odpowiednich do życia kosmonautów) czyli jakieś ~290 K to
> błyskawicznie zacznie wrzeć całą objętością i się jak to określił jeden z
> poprzedników "rozpirzy" ;-)

Nie bierzesz pod uwagę faktu że ciepło parowania wody jest około 94 razy większe
niż jej ciepło właściwe. Owszem woda zacznie wrzeć ale po odparowaniu
odpowiedniej ilości, temperatura pozostałej części wody (wymiana ciepła z
otoczeniem praktycznie zerowa) spadnie poniżej temperatury krzepnięcia i
burzliwe parowanie w tym momencie się skończy.
Bardzo szacunkowo, po odparowaniu ok 1/5 wody o temperaturze pokojowej reszta
zmieni się w lód.

[arawicz]

człek 15 lat temu wyszedł z mat-fizu i już cała wiedze resublimowała... i tylko
ciśnienie mam czasem wyższe...

[ssamiec]

> Nie bierzesz pod uwagę faktu że ciepło parowania wody jest około 94 razy większ
> e
> niż jej ciepło właściwe. Owszem woda zacznie wrzeć ale po odparowaniu
> odpowiedniej ilości, temperatura pozostałej części wody (wymiana ciepła z
> otoczeniem praktycznie zerowa) spadnie poniżej temperatury krzepnięcia i
> burzliwe parowanie w tym momencie się skończy.
> Bardzo szacunkowo, po odparowaniu ok 1/5 wody o temperaturze pokojowej reszta
> zmieni się w lód.

Owszem, nie wykluczam takiej możliwości, choć wydaje mi się że raczej to nie
nastąpi dokładnie tak jak opisujesz. Zauważ, że w swoim rozumowaniu zakładasz,
że proces jest 'spokojny' w takim sensie że woda paruje powierzchnią i w takim
jak różni się przepływ laminarny od turbulentnego.
Natomiast nawet woda wrząca w garnku wrze całą objętością, a to że w próżni
ciśnienie jest zerowe spowoduje że porozpada się na małe kawałki (tylko jak
małe??) jednocześnie chłodniejąc poprzez parowanie. A te kawałki zaczną już
krystalizować. Otóż mniej więcej coś takiego nazwałbym "rozpirzeniem". Być może
owa 1/5 odparuje (skąd masz tę liczbę?) ale pozostałe fragmenty lodu będą
niedostrzegalnie małe - zrobi się taki biały obłoczek rozszerzający się.

Ssamiec

[Gość: w++]

ssamiec napisał:

> Owszem, nie wykluczam takiej możliwości, choć wydaje mi się że raczej to nie
> nastąpi dokładnie tak jak opisujesz. Zauważ, że w swoim rozumowaniu zakładasz,
> że proces jest 'spokojny' w takim sensie że woda paruje powierzchnią i w takim
> jak różni się przepływ laminarny od turbulentnego.

Weźmy ogólny bilans ciepła. Z niego wynika że nie ma szans by cała ilość wody
wyparowała od razu. Ta szacunkowa 1/5 wynika z tego że np. odparowanie grama
wody zabiera 94 kalorie czyli tyle samo ile potrzeba dla obniżenia temperatury
wody o 94 stopnie. Dla wody o temperaturze pokojowej wystarczy ok. 1/5 tego by
dojść do 0 stopnia C (nie wiem dokładnie w jakiej temperaturze krzepnie woda w
próżni, ale podejrzewam że w odróżnieniu od temperatury wrzenia nie będzie ona
zbytnio zależała od ciśnienia).

Co do dynamiki tego procesu, to pewno masz dużo racji z tym "rozpirzeniem".
Pomocne w przybliżeniu problemu są wspomnienia pierwszych astronautów
zafascynowanych pięknym widokiem chmury kryształków pochodzących z ich moczu
wypuszczonego w kosmiczną próżnię.
Ale później ta chmura gdzieś się gubi. Prawdopodnie wyparowuje od ciepła
słonecznego n.p. stykając się z rozgrzaną powierzchnią statku czy na skutek
pochłonięcia promieniowania cieplnego w samym lodzie, który w końcu nie jest
czystą wodą. Prom kosmiczny też zresztą ma na lewej burcie dziurkę nazwaną
"urine dump port" a jakoś w transmisjach TV i na zdjęciach nie widzimy by
tworzył się w tej okolicy jakiś stały obłok.

Ale z drugiej strony, lity kawałek lodu jest w miarę stabilny w warunkach
kosmosu, jak to widać było wyraźnie n.p. na zdjęciu z któreś poprzedniej misji
promu, gdzie spory kawałek lodu prawdopodobnie ze zbiornika paliwa został
zauważony i sfotografowany w pobliżu promu.

[ssamiec]

Jeszcze jedno, następujące zdanie:

> Nie bierzesz pod uwagę faktu że ciepło parowania wody jest około 94 razy
> większe niż jej ciepło właściwe.

nie ma sensu.
Ciepło parowania jest w jednostkach dżul/kilogram zaś ciepło właściwe w
dżul/(kilogram*kelwin). Te jednostki są oczywiście nieporównywalne.

SSamiec

[Gość: w++]

ssamiec napisał:

> nie ma sensu.

Masz całkowitą rację. Użyłem tu zbyt dużego skrótu myślowego. Chodziło mi
oczywiście o porównanie ilości ciepła przy parowaniu i studzenia od temperatury
pokojowej do temperatury krzepnięcia.

Pytanie w takim razie

[Gość: Krociech]

>że ciepło parowania wody jest około 94 razy większe niż jej ciepło właściwe.

Czy to dlatego na stokach w lecie leży śnieg pomimo tego że z wykresu równowagi fazowej wynika, że powyżej zera stopni woda powinna być ciekła lub gazowa praktycznie niezależnie od ciśnienia encarta.msn.com/media_461541579/Phase_Diagram_for_Water.html (a latem na stokach Rys raczej nie ma _mrozów_, a może się mylę)?

[szarsz]

Gość portalu: Krociech napisał(a):
> Czy to dlatego na stokach w lecie leży śnieg pomimo tego że z wykresu
> równowagi fazowej wynika, że powyżej zera stopni woda powinna być ciekła lub
> gazowa praktycznie niezależnie od ciśnienia

tak. Jest dostarczane za mało ciepła, by śnieg mógł się stopić.
Inaczej - śnieg tam się topi, ale b. powoli, bo słońce dostarcza mało ciepła i
może nie zdążyć przed następną zimą :)

[Gość: Krociech]

Dziękuję za odpowiedź - zawsze to podjerzewałem, ale dziś zostałem uświadomiony.

Zamarznie natychmiast.

[Gość: Kelwin]

Średnia temperatura w kosmosie to 3 kelwiny, więc zamarznie w ułamku sekundy.

[Gość: w++]

Gość portalu: Kelwin napisał(a):

> Średnia temperatura w kosmosie to 3 kelwiny, więc zamarznie w ułamku sekundy.

Z tym "ułamkiem sekundy" to bym raczej polemizował. To że woda w stanie ciekłym
o temperaturze pokojowej zamienia się po wyrzuceniu w kosmos gwałtownie w lód
jest głownie kwestią przemiany fazowej cieczy w gaz spowodowanej praktycznie
zerowym ciśnieniem. Próżnia kosmiczna jest doskonałym izolatorem ciepła, więc
spadek temperatury jakiegoś ciała może się odbywać jedynie drogą
wypromieniowania ciepła aż do uzyskania równowagi termicznej z promieniowaniem tła.
Ciekawą była by, na przykład, próba odpowiedzi na pytanie co się stanie z wodą
zamkniętą szczelnie w butelce wyrzuconą w kosmos, najlepiej gdzieś daleko od
Słońca. Jak szybko wystygnie?

[Gość: Maro]

Można założyć że nie wystygnie o ile próżnia w kosmosie byłaby idealna. Z tym
że jednak pojawiają się tam jakieś cząstki ale i jest dostarczana energia ze
słońca i gwiazd.Zauważcie że nawet na księżycach Neptuna powierzchnia gruntu
jest dużo wyższa niż temperatura próżni.
Na orbicie Ziemi butelka ta wręcz mogłaby wybuchnąć pod wpływem ciśnienia
zagotowanej wody. (energia jest dostarczana ale nie ma gdzie się ulotnić.

[ssamiec]

> Ciekawą była by, na przykład, próba odpowiedzi na pytanie co się stanie z wodą
> zamkniętą szczelnie w butelce wyrzuconą w kosmos, najlepiej gdzieś daleko od
> Słońca. Jak szybko wystygnie?

W takiej sytuacji nie mamy utraty energii poprzez oddysocjowywanie
wysokoenergetycznych molekuł, a jedynie poprzez promieniowanie
elektromagnetyczne., Jeśli założymy że owa woda to ciało doskonale czarne
(czarna woda, hehe) to moc wypromieniowywana przez jednostke powierzchni butelki
jest proporcjonalna do temperatury podniesionej do 4 potęgi. Z resztą ciało
doskonale szare chyba też ma taką zależność tylko z mniejszym współczynnikiem -
nie jestem pewien.
Ponieważ energia cieplna jest proporcjonalna do temperatury, to całkowita
temperatura dana jest równaniem dT = -const * T^4 * dt, gdzie t-czas, const -
stała dodatnia, w której siedzi stosunek objętości do powierzchni, stała
Stefana-Boltzmanna itd.
Czyli: -3*(1/T^3) = -const * t (w odpowiednich granicach całkowania)
I ostatecznie T ~ pierwiastek_3_stopnia(1/t) = t^(-1/3)

SSamiec

[ssamiec]

Czyli na początu bardzo szybko a potem coraz to wolniej - ale ciągle potęgowo ;-)

[darr.darek]

Gość portalu: ciekawy napisał(a):
> Ot, gdzieś tam wylana ze statku kosmicznego...
> Natychmiast wyparuje?
> Zamarznie i w takiej postaci będzie wędrować?
> Zamarznie i następnie wysublimuje?

Woda "wylana" ze statku kosmicznego "wyleje" się w postaci wystrzału gazu (pary
wodnej) i areozolu lodowego.
W próżni lub w bardzo niskim ciśnieniu woda wrze poniżej 0 st. C. Już 1/10
część wody, która zamieni się w parę wodną odbierze ciepło pozostałej części i
obniży jej temperaturę o ok. 55 st.C. Stąd ten natychmiastowy areozol pary i
kryształków lodu, które to kryształki lodu będą sublimowały i zamienią się też
w parę wodną w tempie zależnym od tego ile energii dostaną ze Słońca lub innego
źródła energii promieniowania.

P.S. Równie nieciekawe (szczgólnie dla zewnętrznej i wewnętrznej powłoki
człowieczej) efekty byłby po wypadnięciu człowieka w próżnię.

[ruperd]

Nie masz synu innych zmartwień ??

Próżnia przestanie być próżnią, lokalnie.

[Gość: Enesjanina]

Gość portalu: ciekawy napisał(a):
...
> Inne możliwości?

J.w.