¿Qué ocurrirá si hervimos agua en ausencia de gravedad?

Question

Lo sabemos, Convección es el modo de transferencia de calor debido al movimiento de las moléculas individuales de un fluido (líquido o gas). El movimiento de las partículas constituyentes se debe a la diferencia de densidades.

En ausencia de gravedad, el agua adopta una forma esférica para minimizar la energía debida a la tensión superficial, simplemente quiere minimizar su superficie para lograr una mayor estabilidad. Supongamos que conseguimos calentar el centro de la esfera de agua mediante algún mecanismo, ¿cómo se transferirá el calor desde el centro de la esfera de agua a su superficie? ¿Las corrientes de convección, que son los principales modos de transferencia de calor en presencia de gravedad, tienen lugar en ausencia de gravedad? Yo creo que no. ¿La transferencia de calor se debe a la conducción?

Además, sería estupendo que nos explicara qué ocurrirá con el paso del tiempo. ¿Las burbujas de gases disueltos que se forman en el interior se quedarán donde se forman o se desplazarán hacia la superficie o se desplazarán hacia el centro? ¿Cómo hervirá el agua (o simplemente explotará)?

Como referencia, este es el aspecto del agua en ausencia de gravedad (en la Estación Espacial Internacional):

Nota: El agua está coloreada para aumentar su visibilidad.

Answer 1

Si calientas una esfera de agua desde el centro en ausencia de gravedad, no veo ninguna razón para la inestabilidad convectiva (en el sentido habitual de flotabilidad del fluido caliente). El transporte de calor debería ser puramente conductivo, y la ecuación idealizada de conducción de calor podría resolverse por el conocido método de la función de Green. El líquido caliente se expande, por lo que la esfera crecerá inevitablemente. Pero hay muchas complicaciones.

• Se formará una burbuja de vapor alrededor de la fuente de calor y la vaporización consumirá 540 cal/g.

• Una burbuja de vapor podría empezar a formarse en una impureza descentrada, rompiendo la simetría esférica.

• Cuando la burbuja de fluido y/o vapor en el centro comience a expandirse, se producirá una aceleración transitoria del fluido hacia el exterior. Esta es la condición previa para una inestabilidad Rayleigh-Taylor que podría romper aún más la simetría esférica. (El ejemplo clásico de inestabilidad R-T es el agua sobre el aceite en presencia de gravedad. En el problema que nos ocupa, la aceleración hacia el exterior imita el efecto de la gravedad).

Answer 2

El flujo de calor será radial. Se formará una burbuja en el centro de la esfera que aumentará de volumen con el tiempo. Debido al volumen específico mucho mayor del vapor en comparación con el líquido, el vapor empujará el fluido circundante radialmente hacia fuera, como si se estuviera liberando un gas no condensable en el centro de la esfera. Así, dentro de la región del fluido circundante, habrá convección radial de calor, con conducción radial superpuesta a la convección radial. ¿Es esto suficiente, o necesitas ver también las ecuaciones?

Answer 3

En ausencia de gravedad, el agua comienza a evaporarse debido al movimiento cinético de las moléculas de agua, que absorben el calor latente de una fuente de calor cercana o del agua misma. De esta forma, el agua se convierte en hielo sólido, que se encontraba lejos de la fuente de calor, y la otra parte se convierte en vapor de agua.