Agua en el vacío (o espacio) y temperatura en el espacio

Question

1. Entonces, el agua en el vacío primero hervirá y luego se congelará. No sé cómo ocurre la congelación. A medida que la presión disminuye a cero, ¿qué sucede con el punto de congelación? (Sé que el vapor absorbe calor y el agua se enfría, pero no creo que llegue a estar tan fría, ¿verdad? En el vacío, el punto de ebullición es tan bajo que el agua no debería necesitar tanto calor como en presión normal, lo que significa que el vapor realmente absorbe más calor bajo presión normal que en vacío, ¿entonces el agua bajo presión normal estaría más fría? (Solo estoy suponiendo)

2. Y la temperatura proviene del calor generado por el movimiento de las moléculas (supongo), ¿entonces en el vacío no hay temperatura?

3. ¿Qué pasa cuando caliento un tubo de vacío?

4. ¿El calor necesita un medio para "viajar"?

Answer 1

Convencionalmente, aunque con justificaciones, se dice que el espacio comienza en la línea de Kármán que está a 100 km de la superficie terrestre, es decir, aún bastante cerca. La presión atmosférica a esta altitud desciende a aproximadamente 0.032 Pa (wikipedia), lo cual es aún mucho más que en el espacio exterior (menos de $10^{-4}$ Pa según la wikipedia)

El diagrama de fases del agua muestra que, a este nivel de presión, el agua sólo puede existir como un sólido o como vapor, dependiendo de la temperatura, pero no como líquido. La transición de fase entre sólido y gas a esa baja presión se produce cerca de 200°K (alrededor de -73°C), lo cual no es tan frío.

Entonces, si dejas caer en el espacio una gota de agua a temperatura ambiente y presión, instantáneamente comenzará a evaporarse (hervir) y descomprimirse.

Aquí no estoy seguro de lo que ocurre. Hay cuentas de astronautas en la web que explican que el agua (en realidad orina) primero se vaporizará y luego desublimará en pequeños cristales. Pero no hay explicación de los fenómenos físicos reales que lo impulsan.

Mi propia reconstrucción de lo que podría ocurrir (antes de ver estos sitios) es la siguiente.

Primero, la pérdida de presión se propaga muy rápido en el líquido (¿velocidad del sonido?) mientras que la pérdida de temperatura (calor) se propaga lentamente (como todos los amantes de la cerveza saben de sus neveras). Así que la ebullición se producirá básicamente de manera uniforme en todo el líquido. La transición de fase de líquido a gas absorbe calor, y eso es lo que enfriará el agua muy rápidamente, a medida que se evapora.

Supongo también que la pérdida de energía enfriará el agua hasta la temperatura de sublimación (transición de sólido a gas) antes de que todo se evapore, de manera que algunas partes del líquido pueden enfriarse hasta el punto de congelación antes de que tengan tiempo de evaporarse. Pero como la ebullición ocurre en todas partes, en realidad rompe el agua restante en fragmentos pequeños que cristalizan, y posiblemente también recogen algo del vapor para crecer.

De todos modos, aparentemente obtienes nieve.

Pero la refrigeración se debe a la evaporación, que es muy rápida, mucho más que a la radiación que apenas tiene tiempo de tener lugar.

Evaluación numérica

Analicemos qué sucede con el calor disponible para entender si algo de agua se congela directamente. Esta es una aproximación muy aproximada ya que las cifras utilizadas son en realidad algo variables con la temperatura, pero no puedo encontrar los valores reales para las temperaturas y presiones extremas que se están considerando.

El calor latente de evaporación del agua es de 2270 kJ/kg. El calor específico del agua es de 4.2 kJ/kgK Por lo tanto, evaporar 1 gramo de agua puede enfriar 2270/4.2 = 540 gramos de agua en 1°K, o 5.4 gramos en 100°K que es aproximadamente la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura de (des)sublimación del agua en el espacio. Así que mi hipótesis de que no hay suficiente calor disponible para vaporizar toda el agua es correcta, ya que sólo aproximadamente una sexta parte del agua puede ser vaporizada con el calor disponible.

De los 5.4g de agua, 1g se evaporará, aunque puede enfriarse justo por encima de la temperatura de sublimación de 200°K, mientras que los restantes 4.4g se enfriarán a la temperatura de sublimación sin evaporarse todavía. Los restantes 4.4g no pueden permanecer líquidos, por lo tanto, una parte se congela, liberando así algo de calor latente para que la otra parte se vaporice. La proporción entre las dos partes es inversamente proporcional al calor latente específico para la congelación y la vaporización.

El calor latente de congelación es de 334 kJ/kg. La suma de ambos calores latentes es de 2270+334=2604 kJ/kg. Estas cifras son muy aproximadas. Como verificación, el calor latente de sublimación del agua es aproximadamente 2850 kJ/kg (wikipedia), lo que muestra que las cifras probablemente son correctas dentro de una aproximación del 10%.

La proporción divide los restantes 4.4g aproximadamente en 3.8g que se congela y 0.6g que se evapora, haciendo un total de 1.6g de agua vaporizada.

Así que, omitiendo un cálculo rápido, encontramos que aproximadamente el 70% del agua se congela en algún tipo de nieve, mientras que el 30% restante se vaporiza. Y todo sucede bastante rápido.

En realidad me sentía incómodo con esta narración de las historias de astronautas sobre el agua hirviendo y luego desublimándose de una vez, porque eso significaría que tendríamos que deshacernos de todo el calor muy rápidamente. ¿Cómo? ¿Alguien tiene una mejor explicación?

Un último comentario es que siempre habrá alguna parte del agua que se congela. Inicialmente pensé que el agua muy caliente podría proporcionar suficiente calor para vaporizarse completamente en baja presión. El punto crítico del agua líquida está a 650°K (con una presión mucho más alta de la que se puede crear en el espacio: 22MPa), que es sólo 450° por encima de la temperatura de sublimación. Pero el agua debería enfriarse en 540° para proporcionar suficiente calor para evaporarse completamente. Por lo tanto, la temperatura del agua disminuirá hasta el umbral de sublimación antes de que se pueda suministrar suficiente calor para evaporarla completamente. Esta probablemente es un análisis muy simplista. Dejo el resto a los especialistas.

Answer 2

La transferencia de calor ocurre por tres métodos, convección, conducción y radiación. Solo la radiación sucede en el vacío, porque a diferencia de los otros dos métodos, es el único que no necesita un medio material.

La temperatura del agua no disminuye en la Tierra (nivel del mar), porque a medida que el agua irradia calor, recibe ese calor de vuelta, por radiación que cae sobre ella desde la materia circundante incluyendo el aire que nos rodea, poniéndola en un estado de equilibrio térmico con su entorno.

En el vacío, ese calor perdido debido a la radiación no será reemplazado, por lo tanto, el agua perdería ese calor a una tasa mucho más alta y se congelaría.

Respecto a tu pregunta: "¿así que el agua bajo presión normal estaría más fría?", no, la única diferencia es que en el vacío, la temperatura del agua es más que suficiente para hervir el agua debido a la falta de presión.

Al nivel del mar, sin embargo, necesita estar "más caliente" (~100 C) debido a la presión más alta. Utilizará ese calor para evaporarse, enfriarse un poco debido al cambio de fase, y el vapor luego se enfriará gradualmente para igualar la temperatura circundante mediante los tres métodos que mencioné anteriormente. Consulta esto para más detalles sobre los métodos de transferencia de calor: Transferencia de calor.

Respecto a tu segunda pregunta; sobre calentar un tubo de vacío. Lo que ocurrirá es que el material del tubo mismo se calentará. Sin embargo, si se colocara otro objeto en algún lugar dentro de ese tubo, recibirá calor por radiación (el mismo método por el cual el calor nos llega desde el sol) desde la pared interna del tubo, y comenzará a irradiar calor (ondas electromagnéticas) él mismo.

Ese objeto dejará de calentarse cuando el calor que irradia sea igual al calor que recibe de la pared interna de ese tubo.

Ten en cuenta que no has proporcionado dimensiones o cantidades relacionadas con el agua o el tubo, por lo que mi respuesta a ambos experimentos es un caso general.

Answer 3

Su explicación es correcta. El enfriamiento se debe a que cada molécula de agua que se evapora elimina un calor latente molar de vaporización.

El calor latente de vaporización no depende de la presión, o al menos solo depende muy ligeramente de la presión, por lo que la evaporación enfría el agua hasta cero grados centígrados y luego la congela.

Answer 4

Parece que en la mayoría de los lugares que he leído (en la web) la gente se refiere a la despresurización del agua (en un vacío o espacio) como "ebullición" pero raramente he visto que se mencione como una desgasificación de los gases internos disueltos en el agua (nitrógeno, oxígeno, CO2, u otros gases que pueden ser usados en una nave espacial). Sin embargo, a diferencia de la ebullición tradicional que libera moléculas de vapor (H2O) del agua, colocar agua en una cámara de vacío sí hace que el agua parezca hervir pero al repetir este experimento (reexponiendo la misma agua al vacío) el evento de "ebullición" se reduce significativamente, resultando en la congelación sin mucha interrupción del agua. Han pasado varios años desde que presencié este experimento repetido en una campana de vacío de laboratorio, pero la mejor explicación en ese momento fue que la cantidad de gases disueltos era mucho más baja en la muestra de agua cuando la misma muestra fue relativamente rápidamente reexpuesta al vacío. Lo que no recuerdo es si el agua tardó más en congelarse tras la exposición posterior al vacío o no. Si la exposición posterior al vacío llevó más tiempo para que el agua se congelara, entonces la explicación sería que la temperatura del agua se redujo por el evento de "ebullición", acercando el agua a la congelación por esta reducción de temperatura. Sin embargo, parece seguir que el agua se congela por la reducción de la presión de gas en su interior ya que partículas de materia energizada (los gases) escapan del agua, la energía de movimiento de las moléculas de agua se reduce por su exposición al vacío, permitiendo la formación de cristales de hielo que resultan en un estado sólido en un vaso o recipiente (sujeto por la gravedad) o en un estado similar a la nieve suspendido en el espacio. Además, como se señala en las observaciones de los astronautas, cristales similares a la nieve pueden formarse debido a puntos de nucleación dentro del líquido debido a las diversas proteínas encontradas en la orina.

Answer 5

El cambio de fase (sublimación) del agua de hielo a vapor ocurre en una ventana relativamente estrecha. Si la muestra de hielo pudiera mantenerse a una temperatura por encima de un cierto nivel, todo se evaporaría en el vacío del espacio. La evaporación y las temperaturas bajo cero del espacio en realidad enfrían la muestra por debajo de la ventana de cambio de fase, por lo que permanece como hielo. Justo por debajo del punto de congelación, con una presión constante (alrededor de 500 mTorr), el proceso de evaporación/sublimación en realidad enfriará la muestra fuera de la ventana y detendrá el proceso de sublimación mientras el sistema busca estabilizarse. En este sistema dejado a su propio alrededor del 30% de la muestra se convertiría en vapor y el resto se conservaría como hielo cuando el sistema se estabilizara. Para mantener el proceso en marcha, la temperatura o la presión deben elevarse. En el espacio AMBAS disminuyen y detienen el proceso muy rápidamente.