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

Question

1. Entonces, el agua en vacío primero hervirá y luego congelará. No sé cómo sucede la congelación. A medida que la presión desciende 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, ¿no? En vacío, el punto de ebullición es tan bajo que el agua no necesitaría tanto calor como en presión normal, lo que significa que el vapor en realidad absorbe más calor bajo presión normal que en vacío, ¿por lo que el agua bajo presión normal estaría más fría? (Supongo)

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

3. ¿Qué sucede 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 100km de la superficie terrestre, es decir, todavía bastante cerca. La presión atmosférica en esta altitud baja a aproximadamente 0.032 Pa (wikipedia), que sigue siendo mucho más que el espacio exterior (menos de $10^{-4}$ Pa según wikipedia)

El diagrama de fases del agua muestra que, a este nivel de presión, el agua puede existir solo como 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), que no es tan frío.

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

Aquí no estoy seguro de qué sucede. Hay informes 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 una explicación de los fenómenos físicos reales que lo causan.

Mi propia reconstrucción de lo que podría suceder (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 tendrá lugar esencialmente 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 rápido, a medida que se evapora.

También supongo 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 modo que algunas partes del líquido pueden enfriarse hasta la congelación antes de tener 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 para tener lugar.

Evaluación Numérica

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

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 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 evaporar toda el agua es correcta, ya que solo aproximadamente un sexto del agua puede evaporarse con el calor disponible.

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

El calor latente para la 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 prueba de coherencia, el calor latente de sublimación del agua es aproximadamente 2850kJ/kg (wikipedia), lo que indica que las cifras probablemente son correctas dentro de una aproximación del 10%.

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

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

En realidad, estaba inquieto acerca de este relato de las historias de los astronautas sobre el agua hirviendo y luego desublimándose de una vez, porque eso significaría que tendríamos que deshacernos del calor muy rápidamente. ¿Cómo? ¿Alguien tiene una mejor explicación?

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

Answer 2

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

La temperatura del agua no disminuye en la Tierra (nivel del mar), porque mientras el agua irradia calor, recibe ese calor de nuevo, mediante la radiación que cae sobre ella desde la materia circundante, incluido el aire que nos rodea, colocándola 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.

Con respecto a tu pregunta: "¿entonces 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.

En el 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 luego el vapor 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.

En cuanto 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 coloca 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) por sí 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 con respecto al agua o al tubo, por lo que mi respuesta hacia ambos experimentos es un caso general.

Answer 3

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

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

Answer 4

Parece que 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 rara vez he visto que se refiera a esto como una desgasificación de los gases internos disueltos en el agua (nitrógeno, oxígeno, CO2, u otros gases que puedan ser utilizados 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 hace que el agua parezca hervir pero al repetir este experimento (exponiendo de nuevo la misma agua al vacío) el evento de "ebullición" se reduce significativamente, produciendo el resultado de congelación sin mucha alteración 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 era que la cantidad de gases disueltos era mucho menor en la muestra de agua cuando la misma muestra fue expuesta relativamente rápido de nuevo al vacío. Lo que no recuerdo es si el agua tardó más en congelarse al ser expuesta nuevamente al vacío o no. Si la exposición posterior al vacío requirió más tiempo para que el agua se congele, entonces la explicación sería que la temperatura del agua se redujo por el evento de "ebullición", acercando el agua al punto de congelación por esta reducción de temperatura. Sin embargo, parece seguir que el agua se congela por la reducción de la presión del gas en su interior a medida que las partículas energizadas de materia (los gases) escapan del agua, y la energía de movimiento de las moléculas de agua se reduce por su exposición al vacío, permitiendo la formación de cristales de hielo que resulta en un estado sólido en un vaso o recipiente (sujeto por la gravedad) o un estado tipo nieve suspendido en el espacio. Además, como se señala en las observaciones de los astronautas, cristales tipo 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 permanecer a una temperatura por encima de 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 enfría la muestra fuera de la ventana y detiene el proceso de sublimación a medida que el sistema busca estabilizarse. En este sistema, dejado a su suerte, alrededor del 30% de la muestra se convertiría en vapor y el resto se mantendría como hielo cuando el sistema se estabilice. Para mantener el proceso en marcha, la temperatura o la presión deben ser aumentadas. En el espacio, AMBAS disminuyen y detienen el proceso muy rápidamente.