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Reflexiones sobre el cubo de hielo del problema de la órbita

Digamos que tenemos un exquisito cóctel en algún lugar de Nuevo México, y se nos acabó de cubitos de hielo. Al rescate llega este nuevo servicio proporcionado por Orbital Glaciar Inc. Ellos proporcionan los cubos de hielo de todo el mundo en sólo 5 minutos (!). ¿Cómo lo hacen? ¿Qué tamaño deben tener un cubo de hielo al caer desde la órbita, por lo que tendrá el tamaño de un típico cubo de hielo cuando llega a su vaso de whisky que usted está sosteniendo en su mano. Suponiendo que el cubo de hielo en la órbita debe ser de un enorme tamaño, sería Órbita Glaciar Inc. inevitablemente impacto de las condiciones climáticas en el planeta tierra cuando la celebración de varias fiestas de cóctel?

Descargo de responsabilidad: no Somos de ninguna manera relacionada con nuestro competidor Luna de Hielo Ahora, Inc.

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No creo que la pregunta puede ser contestada porque no dicen cómo la energía orbital es ser disipada. Sin embargo, es muy interesante comparar la energía orbital con la energía necesaria para hervir el hielo.

Supongamos que nuestra hielo suministrado está a bordo de la Estación Espacial Internacional, por lo que están a una altura de $h$ = 300 km y se mueve a una velocidad orbital de unos $v_o$ = 7,7 km/seg. En la latitud de Nuevo México (34°N) la superficie de la Tierra se está moviendo a unos $v_e$= 370 millones/seg. Así que el cambio en la energía cinética es:

$$\begin{align} \Delta T &= \tfrac{1}{2}m v_o^2 - \tfrac{1}{2}m v_e^2 \\ &= 29.6\space\text{Mj/kg} \end{align}$$

El cambio en la energía potencial es:

$$\begin{align} \Delta U &= \frac{GM}{r_e} - \frac{GM}{r_e + h} \\ &= 3.1\space\text{Mj/kg} \end{align}$$

Así que el total de cambio de energía en llevar 1kg de hielo de la ISS a Nuevo México es:

$$ \Delta E = \Delta T + \Delta U = 32.7 \text{MJ/kg} $$

Puede utilizar esta energía para hervir algunos de 1kg de hielo y dejar el resto disponible para la refrigeración de bebidas? Bien supongamos que empezamos con el hielo, en el cero absoluto (hace frío en el espacio) y ver cuánta energía se necesita para que llegue a hervir. Las constantes necesitamos son:

$$\begin{align} \text{Specific heat of ice (-10C)} &= 2000 \space \text{J/kg.K} \\ \text{Latent heat of fusion} &= 334000 \space \text{J/kg} \\ \text{Specific heat of water} &= 4200 \space \text{J/kg.K} \\ \text{Latent heat of vap.} &= 2257000 \space \text{J/kg.K} \end{align}$$

Suponiendo que estas constantes no cambian con la temperatura de$^1$ de la energía necesaria para convertir 1 kg de hielo en el cero absoluto para un kg de vapor a 100°C es:

$$\begin{align} \Delta E &= 2000*273 + 334000 + 4200*100 * 2257000 = 0 \\ &= 3.56 \space \text{MJ/kg} \end{align}$$

Así la energía necesaria para llevar 1 kg de hielo a descansar en Nuevo México es de alrededor de diez veces la cantidad de energía necesaria para evaporar el hielo, incluso a partir de cero absoluto. Vas a tener que encontrar alguna otra manera de disipar la energía.


$^1$ el calor específico del hielo disminuye con la temperatura disminuyendo así la energía calculada para hervir el hielo es una ligera sobreestimación.

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