2 líquidos de diferente densidad en el espacio

Question

Digamos que estás en el espacio profundo con una gravedad básicamente nula. Tienes una bola de agua flotando delante de ti. Si inyectas cuidadosamente esa bola con una jeringa llena de aceite vegetal, ¿qué ocurriría?

¿Se quedaría el aceite en el medio, sostenido por la cohesión del agua? ¿O se desplazaría hacia el exterior para rodear el agua, ya que es menos densa? Si se desplazara hacia el exterior, ¿se quedaría allí?

En la Tierra, el petróleo se asentaría sobre el agua, debido a la gravedad En el espacio, ¿flotaría o formaría una cáscara alrededor del agua, debido a su propia cohesión?

Answer 1

La cuestión de si dos líquidos se mezclan o no tiene que ver principalmente con las fuerzas intermoleculares, no con las densidades. Estas fuerzas conducen a la propiedad a granel conocida como potencial químico.

Suponiendo que el experimento se realice en una cabina presurizada, la temperatura y la presión ambientales pueden tomar valores ordinarios como STP (temperatura ambiente, 1 atmósfera de presión).

A esa temperatura y presión ordinarias, lo que ocurre con el aceite y el agua es que el fluido consta de dos partes, una de las cuales es mayoritariamente (pero no totalmente) agua y la otra es mayoritariamente (pero no totalmente) aceite. La entropía del sistema más el entorno se maximiza cuando se minimiza la función de Gibbs, con lo que el petróleo no se disuelve por completo, sino que el líquido está formado por estas dos partes. Las dos partes se reunirán en lugares separados para reducir al mínimo las zonas limítrofes en las que haya tensión superficial, y también en respuesta a cualquier fuerza ambiental, como la gravedad.

En ausencia de gravedad, por tanto, se espera una mancha de un líquido y una mancha del otro. Hay tres tipos de límites: agua-aceite, agua-aire, aceite-aire, cada uno con una tensión superficial diferente. Creo que el límite agua-aire tiene la tensión superficial más alta, lo que sugiere que el aceite rodeará al agua para eliminar este límite. Por lo tanto, si hay suficiente aceite, supongo que la configuración de equilibrio será una esfera de agua rodeada por una cáscara esférica de aceite. Con cantidades menores de aceite, supongo que el aceite se extenderá por la superficie del agua, sin llegar a cubrirla del todo.

Tal vez la configuración con el menor potencial de Gibbs tenga otra forma (dependiendo de las proporciones de aceite y agua), pero la configuración de equilibrio consistirá sin duda en dos partes con concentraciones diferentes, como he dicho, a menos que la temperatura sea alta. A alta temperatura los dos fluidos se disuelven completamente el uno en el otro y entonces tendríamos una única sustancia continua, no dos.

Answer 2

Si no hay gravedad ni impulso para las burbujas de fluido, creo que se quedarían una dentro de la otra y no harían nada. Si existiera, la gravedad actuaría sobre las burbujas de fluido haciendo que el fluido menos denso (el aceite) se elevara con respecto al más denso, debido a flotabilidad . El petróleo también "subiría" si la nave espacial fuera girando debido a la mayor inercia del agua más densa. Si la mancha de aceite se inyectó fuera del centro, o la capa de agua que la rodea era tan fina que la distancia mínima entre las interfaces aceite-agua y agua-aire está en la escala del longitud de los capilares podría pasar algo raro. Mi opinión es que la mancha de agua y la mancha de aceite podrían cambiar de lugar ya que el agua (que tiene una mayor tensión superficial que el aceite) intenta minimizar su energía superficial asumiendo el menor tamaño posible: una mancha esférica de radio $r$ tendría una energía superficial menor que una cáscara de radios interiores y exteriores $r$ y $r+\delta r$ respectivamente.

Answer 3

La razón por la que el petróleo y el agua no se mezclan en la Tierra no tiene que ver realmente con sus densidades. El agua es una molécula polar, lo que significa que tiene distintas regiones con carga más positiva o negativa. El aceite es apolar, lo que significa que no tiene diferencias de carga en toda la molécula. Como regla general, "lo semejante disuelve lo semejante", lo que significa que un disolvente polar disolverá un soluto polar, o un disolvente no polar disolverá un soluto no polar. Como el agua es polar y el aceite no, no formarán una solución cuando se mezclen.

Así que culpe a las diferencias de polaridad por la falta de mezcla, pero la gravedad hace juegan un papel en la forma en que el petróleo se apila sobre el agua. El agua tiene una densidad de $1.0\ \mathrm {g/cm^3}$ donde el petróleo tiene una densidad de aproximadamente $0.92 \ \mathrm {g/cm^3}$ dependiendo del aceite. Como resultado, el petróleo se apoya en la parte superior del agua en la Tierra. Sin embargo, incluso en ausencia de gravedad, el agua y el petróleo se separarían en líquidos distintos, pero la forma en que estos líquidos se organizan no estaría impulsada por la gravedad y la densidad.

Usted sugiere inyectar el aceite dentro del agua. Si se hace eso con mucho cuidado y lentamente probablemente podrías conseguir que el aceite formara una burbuja dentro del agua. Sin embargo, si se inyecta con demasiada rapidez, se perturbaría el agua lo suficiente como para que se volviera turbulenta, y el aceite y el agua se separarían en distintas "burbujas", pero no formarían capas ni se ordenarían de manera significativa.

Answer 4

Básicamente, el aceite permanecería dentro del agua hasta que se sobrepresurizara la inyección de aceite. Entonces se convertiría en burbujas de agua y burbujas de aceite

Answer 5

https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/background/facts/mfmg.html

Este experimento para fluidos miscibles cita información descubierta anteriormente y las teorías sobre fluidos inmiscibles. Inyectado en el agua debería formar primero un chorro de gotitas. Puede haber migración.