¿Qué le ocurriría a una esfera de 10 metros de agua a temperatura ambiente si se liberara en el espacio?

Question

Imaginemos que tenemos una estación espacial con un hangar relativamente grande, y dejamos que se acumule una bola de agua de 10 metros de diámetro y una temperatura del agua de 20C. Mientras el hangar está presurizado, alguien decide utilizar un tanque rebreather (de circuito cerrado) para sentarse en medio de la esfera y respirar, de modo que no se muere y no exhala aire en el agua (para simplificar las cosas).

Alguien pone en marcha la esclusa y la esfera queda flotando en medio del hangar en un fuerte vacío.

¿Qué pasaría con el agua y qué pasaría con la persona que está dentro? ¿Mantendría la esfera de agua la suficiente presión sobre la persona como para que estuviera bien, herviría el agua tan rápidamente que no sería útil durante mucho tiempo, o se congelaría el agua? Veo varias opciones, y esta es una pregunta que me he planteado durante un tiempo, pero no he sido capaz de resolverla.

Answer 1

Hierve y luego el vapor se congela.

No se congela directamente porque el agua es muy buena 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 ninguna restricción en cuanto a la presión y, como sabemos, una presión baja hace que el agua hierva. El proceso de ebullición actúa arrastrando el calor y separa el agua en una fina niebla que luego se congela en copos.

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

Answer 2

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

En cuanto al desgraciado destino del astronauta Aqualung en medio de su bola de agua, la despresurización del hangar provocaría casi inmediatamente la despresurización de su entorno también. Dado que el rebreather no está diseñado para mantener la presión, moriría de anoxia mucho antes de quedar envuelto en hielo, que acabaría sublimándose, dejando que su cadáver se congelara. (La sola idea me hace hervir la sangre, pero sólo en sentido figurado).

Answer 3

¿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, en cuanto la esfera experimente el vacío, dejará de haber presión atmosférica sobre la esfera, y la presión de vapor del agua dentro de la esfera provocará inmediatamente la ebullición. La presión en el interior de la esfera, debida a la presión de vapor del agua en la esfera, conduce a una fuerza neta hacia fuera en cada pequeño trozo de la esfera, y la esfera se llena inmediatamente de pequeñas burbujas de vapor y comienza a expandirse hacia fuera como resultado.

Temperatura dentro de la esfera
El calor necesario para provocar la ebullición del agua en la esfera procede del propio agua, por lo que la temperatura del agua en la esfera empieza a descender inmediatamente al exponerse a las condiciones de vacío. La velocidad de ebullición es proporcional a la diferencia de temperatura entre el agua de 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 velocidad de ebullición disminuirá logarítmicamente a medida que la ebullición continúe y la temperatura siga bajando. Este proceso continuará y, suponiendo que se mantengan las condiciones de pleno vacío, una parte del agua que queda, en forma de gotas, se congelará. El hielo resultante se sublimará lentamente y, finalmente, se evaporará por completo; la velocidad de sublimación dependerá de la transferencia de calor radiante del entorno.

Presión sobre la persona
La persona en la esfera experimenta inicialmente la presión ambiental producida por el aire de la esclusa. 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 $P=\rho g h$ , donde $g$ se acerca a cero. Esto conduce a un efecto desafortunado para la persona que está en el re-respirador. Esa persona tiene que respirar necesariamente oxígeno a la presión ambiental, lo que significa que al producirse 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 muy rápidamente burbujas de vapor, y cualquier gas disuelto saldrá de la solución. Obviamente, esta condición es fatal.

Answer 4

Mi mejor suposición:

El agua comenzará a hervir uniformemente. En el interior la ebullición se retrasa 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 ocurre primero cerca de la superficie. A medida que el líquido del interior sigue expandiéndose, el agua se escapa violentamente a través de los agujeros y las grietas, convirtiéndose en niebla de hielo. Queda una estructura de hielo parecida a un queso suizo, que posiblemente se desprenda en muchos pedazos, y que se sublima lentamente.