Что произойдет с водой в космосе: испарится или станет льдом?
Космос — очень, очень холодное место (вот здесь мы писали о том, где во Вселенной находится самая холодная точка с температурой вещества 0,5 К). На сильном холоде, как подсказывает нам жизненный опыт, вода превращается в лед — кристаллизуется.
Но космос — это еще и самый близкий к идеальному вакуум, до которого можно дотянуться. Одна атмосфера эквивалентна давлению 6 x 10 22 атомов водорода на квадратный метр. В лучших вакуумных камерах на Земле ученые создают давление в миллиарды раз меньшее, но в межзвездном пространстве оно опускается в миллионы и миллиарды раз ниже земных технических рекордов.
А при пониженном давлении вода переходит в газообразное состояние — кипит.
Так что же произойдет, если жидкая вода окажется одновременно при очень низком давлении и очень низкой температуре — замерзнет или мгновенно вскипит, превратившись в газ? Ответ — в теплоемкости воды. Космос холоден, но даже в межгалактическом пространстве вода очень неплохо сохраняет то тепло, которое ей когда-то сообщили. Резко охладить ее до температуры, близкой к абсолютному нолю, невозможно — слишком велика разница между комнатной (293 К) и средней по космосу. К тому же в момент, когда вода окажется в безвоздушном холодном мраке, силы поверхностного натяжения сформируют водяные сферы, и площадь охлаждения станет минимальной.
Таким образом процесс охлаждения будет идти невероятно медленно — по крайней мере до тех пор, пока каждая молекула не окажется сама по себе, вдалеке от других уголков H2O.
Итак, последовательность событий такова: попадая в открытый космос, вода сначала мгновенно становится газообразной, а затем замерзает в виде крошечных льдинок, заполняющих межзвездную пустоту.
Кстати, у «Популярной механики» появился новый раздел «Блоги компаний». Если ваша организация хочет рассказать о том, чем занимается — напишите нам
Какова температура кипения воды в вакууме и от чего она зависит?
Кипение – это переход жидкого вещества в газообразное состояние. Процесс сопровождается образованием пара и происходит, когда достигается определенная температура.
Испарение может происходить при любой степени нагрева, тогда как вода закипает только по достижении 100 °C при нормальном атмосферном давлении. Но в вакууме вода тоже кипит. Начинается это раньше, чем в обычных условиях.
О том, какова температура кипения воды в вакууме, читайте в статье.
Что считать вакуумом?
Слово «вакуум» означает абсолютную пустоту, или пространство, свободное от вещества. Когда нет вещества, нечему и кипеть.
В науке и технике под ним понимают пространство, где давление значительно ниже атмосферного.
Критерием глубины вакуума является степень разрежения. Она определяется отношением давления в объеме к величине атмосферного. Единица измерения, принятая международной системой мер – Паскаль, но применяются и другие.
Нормальное атмосферное давление, измеренное на уровне моря, принято равным 760 мм ртутного столба, или 101325 Па. Например, разрежение, при котором давление равно 100 Па, считается низким, 0,00001 Па – высоким.
Как кипит H2O в таких условиях?
В любом сосуде, заполненном водой, всегда присутствуют частички воздуха. Они остаются на микроскопических трещинах, имеющихся на стенках емкости. По мере нагрева пузырьки увеличиваются, и становятся видимыми невооруженным взглядом, особенно на стенках сосуда и его дне. По сути, это капли насыщенного пара, растворенные в воде.
Когда температура на дне сосуда уже достигла 100 °C, а на поверхности воды ещё нет, сила поверхностного натяжения и атмосферное давление препятствуют выходу частиц за пределы емкости. Они возвращаются назад, теряя температуру.
Когда степень нагрева поверхностного и придонного слоя выравнивается, вещество закипает. В вакууме частицам легче покинуть объем сосуда. Этому препятствует только поверхностное натяжение, поэтому кипение начинается при более низкой температуре.
Почему может кипеть при отрицательных температурных значениях?
Когда среда разрежена, вода закипает раньше. Кипение начнется, как только разрежение достигнет величины, при которой температура кипения становится меньше температуры окружающей среды.
Ниже в таблице приведены округленные данные зависимости температуры кипения от давления.
| Давление, Pa | Температура кипения воды | ||
| °C | °F | °K | |
| 101 325 | 100 | 212 | 373 |
| 84 660 | 95 | 205 | 368 |
| 70 060 | 90 | 194 | 363 |
| 47 340 | 80 | 176 | 353 |
| 31 550 | 70 | 158 | 343 |
| 19 900 | 60 | 140 | 333 |
| 12 300 | 50 | 122 | 323 |
| 7 350 | 40 | 104 | 313 |
| 4 230 | 30 | 86 | 303 |
| 3 380 | 27 | 80 | 300 |
| 3 048 | 25 | 76 | 298 |
| 2 710 | 22 | 72 | 295 |
| 2 370 | 20 | 69 | 293 |
| 2 030 | 18 | 64 | 291 |
| 1 670 | 15 | 59 | 288 |
| 1 350 | 12 | 53 | 285 |
| 1 010 | 7 | 45 | 280 |
| 605 | 0 | 32 | 273 |
| 340 | -6 | 21 | 267 |
| 170 | -15 | 6 | 258 |
| 35 | -31 | -24 | 242 |
| 0,16 | -47 | -35 | 226 |
| 0,3 | -51 | -60 | 222 |
| 0,03 | -56 | -70 | 217 |
Вода, отдавая пар, остывает. Он конденсируется и возвращается обратно в жидкое состояние. При дальнейшей откачке воздуха разрежение становится таким, что H2O мгновенно вскипает.
Температура понижается до отрицательной, водяной пар кристаллизуется, образуя лед. Поскольку это сопровождается увеличением объема, образованию льда препятствует внешнее давление.
Как быстро закипает?
Все зависит от степени разрежения. При недостаточной откачке воздуха холодная вода кипеть не будет.
Как только его станет меньше, она начнет переходить в паровую фазу.
Происходить это будет длительное время из-за конденсации. Теоретически можно достичь динамического равновесия, когда скорость испарения и скорость конденсации водяного пара равны.
При высоком разрежении закипание наступит практически мгновенно. Затем пар кристаллизируется из-за понижения температуры до отрицательного значения. Этот процесс тоже не займет много времени. Теплопроводность пара значительно выше, чем у воды, остывает он быстрее.
Полезное видео
Наглядно кипение воды в вакууме представлено в видео:
Заключение
Исследования поведения воды в условиях разреженного воздуха очень важны. К примеру, в освоении космического пространства. Там процессы происходят в безвоздушной среде, атмосфера как таковая отсутствует. Есть и другие области деятельности человека, где без таких знаний не обойтись.
5 аномальных фактов о воде
Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Почему же так происходит?
В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.
К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. «Стеклянная» вода
Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.
Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.
Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.
Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.
Какая температура замерзания воды под давлением и для чего это необходимо знать?
Многие помнят из курса школьной физики о том, что температура замерзания воды составляет 0°.
На самом деле это определение нуждается в уточнении – при условии воздействия нормального атмосферного давления. Последнее в значительной степени можно считать условной величиной.
О том, какова температура замерзания воды, находящейся под давлением, расскажем в статье.
Замерзает ли?
При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,101 МПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.
Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.
В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.
Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.
Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.
Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.
Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.
Температура в зависимости от показателя
Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.
Как они взаимосвязаны?
При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.
Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:
| Температура, °С | Давление, мПа |
| 0 | 0,1 |
| -1 | 1 |
| -2 | 30 |
| -3 | 40 |
| -4 | 50 |
| -5 | 60 |
| -10 | 110 |
| -22 | 210 |
Как происходит процесс?
Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.
Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.
Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.
Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.
Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.
Каково давление замерзающей жидкости?
Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.
Как влияет тип воды?
Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.
Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.
Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.
Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.
Применение знаний в быту человека
В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.
Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.
Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.
Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.
Заключение
Температура замерзания воды под давлением – вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.
Вода в вакууме
07 Jan 2015 в 14:55
07 Jan 2015 в 14:55 #1
почему вода замерзает в вакууме?
можно словами учителя, пожалуйста
07 Jan 2015 в 14:57 #2
Потому что замедляется скорость молекул
07 Jan 2015 в 15:01 #3
окей. почему она замедляется?
07 Jan 2015 в 15:05 #4
Потому что она в вакууме
Тему клоз
07 Jan 2015 в 15:05 #5
есть вода-уже не вакуум. Если в безвоздушное пространство(безвоздушное пространство и вакуум разные вещи) добавить воду, то она испарится т.к. отсутствует давление и температура кипения значительно снижается. Затем пар будет конденсироваться.
07 Jan 2015 в 15:11 #6
скорость зависит от температуры так? в вакууме температура остается той же. соответсвено скорость должна оставаться той же
пруф
07 Jan 2015 в 15:12 #7
Не всё так просто, ты знаешь, что на высоте 5к метров нельзя сварить яйцо?
07 Jan 2015 в 15:14 #8
Потому что низкие температуры:что-то вроде минус 200
07 Jan 2015 в 15:15 #9
07 Jan 2015 в 15:16 #10
Вода закипит? Читал интересную статью, где писалось, что у одного космонавта разгерметизировался скафандр, но вовремя успели спасти, он только 14 секунд в нём пробыл. Он говорил, что вода на его языке кипела. А так не знаю, космосом интересуюсь, но физику плохо знаю.
07 Jan 2015 в 15:17 #11
есть вода-уже не вакуум. Если в безвоздушное пространство(безвоздушное пространство и вакуум разные вещи) добавить воду, то она испарится т.к. отсутствует давление и температура кипения значительно снижается. Затем пар будет конденсироваться.
Сказал херню из школьного курса, а дальше подумать мозга нет, это д2ру
07 Jan 2015 в 15:20 #12
ты как раз это и процитировал) я знаю как давление влияет на температуру кипения, но ты мне лучше по сабжу чего скажи
07 Jan 2015 в 15:29 #13
07 Jan 2015 в 15:30 #14
Курс физики помню с трудом, но вода в безвоздушном пространстве постоянно теряет тепло через излучение, и, ясен пень, что когда температура достигнет определенной точки, она замерзнет.
07 Jan 2015 в 15:39 #15
от излучения слишком долго, ты видос посмотрел?
07 Jan 2015 в 15:39 #16
вода может так сильно охладиться в вакууме от собственного испарения что бы замерзнуть?
07 Jan 2015 в 15:47 #17
Дело в давлении, при высоком давлении вода закипает выше чем при 100 градусах
При нулевом давлении она закипает около 0 градусов.
Таким образом, как только она начинает закипать при 0 градусов она начинает охлаждаться (испарение =охлаждение).
Температура падает немного ниже нуля и вода замерзает.
07 Jan 2015 в 15:49 #18
Да. Кроме излучения вода может терять тепло и через испарение, или с падением давления растет температура кристаллизации, хз, надо специализированную литературу читать.
07 Jan 2015 в 16:58 #19
Дело в давлении, при высоком давлении вода закипает выше чем при 100 градусах
При нулевом давлении она закипает около 0 градусов.
Таким образом, как только она начинает закипать при 0 градусов она начинает охлаждаться (испарение =охлаждение).
Температура падает немного ниже нуля и вода замерзает.
значит если дело все таки в охлаждении при испарении, значит
если вода замерзла у того детка из видео в банке под насосом, где давление много ниже космического, то в космосе вода будет кипеть при более низких температурах и соответственно еще проще охлаждаться до температуры замерзания
