Wasser im Vakuum (oder Weltraum) und Temperatur im Weltraum

Herkömmlicherweise, wenn auch mit Rechtfertigung, beginnt der Weltraum an der Kármán-Linie , die 100 km von der Erdoberfläche entfernt ist, also immer noch ziemlich nahe. Der atmosphärische Druck in dieser Höhe fällt auf etwa 0,032 Pa ( Wikipedia ), was immer noch viel mehr ist als im Weltraum (weniger als$10^{-4}$Pa laut Wikipedia )

Das Phasendiagramm von Wasser zeigt, dass Wasser bei diesem Druckniveau je nach Temperatur nur als Feststoff oder Dampf vorliegen kann, nicht aber als Flüssigkeit. Der Phasenübergang zwischen fest und gasförmig bei diesem niedrigen Druck findet nahe 200 °K (etwa -73 °C) statt, was nicht so kalt ist.

Wenn Sie also einen Tropfen Wasser bei Raumtemperatur und Druck in den Weltraum fallen lassen, beginnt er sofort zu verdampfen (kochen) und sich zu dekomprimieren.

Hier bin ich mir nicht sicher, was passiert. Es gibt Berichte von Astronauten im Internet, die erklären, dass das Wasser (eigentlich Urin) zuerst verdampft und dann in winzige Kristalle desublimiert. Aber keine Erklärung der tatsächlichen physikalischen Phänomene, die es antreiben.

Meine eigene Rekonstruktion dessen, was passieren könnte (bevor ich diese Seiten sah), ist die folgende.

Erstens breitet sich der Druckverlust in der Flüssigkeit sehr schnell aus (Schallgeschwindigkeit?), während sich der Temperaturverlust (Wärme) langsam ausbreitet (wie jeder Bierliebhaber von seinem Kühlschrank kennt). Das Sieden findet also im Wesentlichen gleichmäßig in der gesamten Flüssigkeit statt. Der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig absorbiert Wärme, und das kühlt das Wasser sehr schnell ab, wenn es verdunstet.

Ich vermute auch, dass der Energieverlust das Wasser auf Sublimationstemperatur (Feststoff-Gas-Übergang) abkühlt, bevor alles verdunstet ist, sodass einige Teile der Flüssigkeit auf den Gefrierpunkt abgekühlt werden können, bevor sie Zeit zum Verdampfen haben. Aber da das Kochen überall stattfindet, zerbricht es das verbleibende Wasser tatsächlich in winzige Fragmente, die kristallisieren und möglicherweise auch einen Teil des Dampfes sammeln, um zu wachsen.

Wie auch immer, Sie bekommen anscheinend Schnee .

Aber die Abkühlung ist viel mehr auf die Verdunstung zurückzuführen , die sehr schnell ist, als auf die Strahlung, die kaum Zeit hat, stattzufinden.

Numerische Auswertung

Wir analysieren, was aus der verfügbaren Wärme wird, um zu verstehen, ob ein Teil des Wassers direkt gefriert. Dies ist eine sehr grobe Annäherung, da die verwendeten Zahlen tatsächlich etwas temperaturabhängig sind, aber ich kann die tatsächlichen Werte für die berücksichtigten extremen Temperaturen und Drücke nicht finden.

Die spezifische latente Verdampfungswärme von Wasser beträgt 2270 kJ/kg. Die spezifische Wärme von Wasser beträgt 4,2 kJ/kgK. Daher kann das Verdampfen von 1 Gramm Wasser 2270/4,2 = 540 Gramm Wasser um 1 °K kühlen, oder 5,4 Gramm um 100 °K, was ungefähr der Differenz zwischen Raumtemperatur und Wasser entspricht ( De)Sublimationstemperatur im Weltraum. Meine Hypothese, dass nicht genug Wärme zur Verfügung steht, um das gesamte Wasser zu verdampfen, ist also richtig, da nur etwa ein Sechstel des Wassers mit der verfügbaren Wärme verdampft werden kann.

Von 5,4 g Wasser verdunstet 1 g, kann sich jedoch auf knapp über die Sublimationstemperatur von 200 °K abkühlen, während die restlichen 4,4 g auf Sublimationstemperatur abgekühlt werden, ohne noch zu verdampfen. Die restlichen 4,4 g können nicht flüssig bleiben, daher gefriert ein Teil und setzt so etwas latente Wärme frei, damit der andere Teil verdampfen kann. Das Verhältnis zwischen den beiden Teilen ist umgekehrt proportional zur spezifischen latenten Wärme zum Gefrieren und Verdampfen.

Die Latentwärme zum Gefrieren beträgt 334 kJ/kg. Die Summe beider latenter Wärme beträgt 2270+334=2604 kJ/kg. Diese Zahlen sind sehr ungefähr. Zur Plausibilitätsprüfung beträgt die latente Sublimationswärme von Wasser ungefähr 2850 kJ/kg ( Wikipedia ), was zeigt, dass die Zahlen wahrscheinlich innerhalb einer 10%igen Annäherung korrekt sind.

Das Verhältnis teilt die verbleibenden 4,4 g in etwa 3,8 g, die gefrieren, und 0,6 g, die verdunsten, was insgesamt 1,6 g verdampftes Wasser ergibt.

Wenn wir also eine kurze Berechnung überspringen, stellen wir fest, dass etwa 70 % des Wassers zu einer Art Schnee gefriert, während die restlichen 30 % verdampfen . Und alles geht ziemlich schnell.

Ich war tatsächlich beunruhigt über diesen Bericht von Astronautengeschichten über Wasser, das kochte und dann sofort desublimierte, weil wir dann die ganze Hitze sehr schnell loswerden müssten. Wie? Hat jemand ein besseres Konto?

Eine letzte Bemerkung ist, dass es immer einen Teil des Wassers geben wird, der gefroren wird. Ich dachte zunächst, dass sehr heißes Wasser genug Wärme liefern könnte, um sich bei niedrigem Druck vollständig zu verdampfen. Der kritische Punkt von flüssigem Wasser liegt bei 650 °K (mit einem viel höheren Druck, als Sie im Weltraum erzeugen möchten: 22 MPa), was nur 450 ° über der Sublimationstemperatur liegt. Das Wasser sollte jedoch um 540° gekühlt werden, um genügend Wärme bereitzustellen, um vollständig zu verdampfen. Die Wassertemperatur sinkt also auf die Sublimationsschwelle, bevor genügend Wärme zugeführt werden kann, um es vollständig zu verdampfen. Dies ist jedoch wahrscheinlich eine sehr vereinfachte Analyse. Den Rest überlasse ich Spezialisten.

Die Wärmeübertragung erfolgt durch drei Methoden, Konvektion, Leitung und Strahlung. Nur Strahlung findet im Vakuum statt, weil sie im Gegensatz zu den beiden anderen Methoden die einzige Methode ist, die kein materielles Medium benötigt.

Die Temperatur des Wassers fällt auf der Erde (Meeresspiegel) nicht ab, denn wenn das Wasser Wärme abstrahlt, erhält es diese Wärme zurück, indem es von der umgebenden Materie, einschließlich der Luft um uns herum, darauf fällt und es in einen Zustand von versetzt thermisches Gleichgewicht mit seiner Umgebung.

Im Vakuum wird diese durch Strahlung verlorene Wärme nicht ersetzt, daher würde das Wasser diese Wärme viel schneller verlieren und gefrieren.

Zu Ihrer Frage: "Also wäre Wasser unter Normaldruck kühler??", Nein, der einzige Unterschied besteht darin, dass im Vakuum die Temperatur des Wassers aufgrund des fehlenden Drucks mehr als ausreichend ist, um das Wasser zu kochen.

Auf Meereshöhe muss es jedoch aufgrund des höheren Drucks "heißer" ~ (100 ° C) sein. Es wird diese Wärme zum Verdampfen verwenden, aufgrund des Phasenwechsels etwas kühler werden, und der Dampf kühlt dann allmählich ab, um sich der Umgebungstemperatur durch die drei oben genannten Methoden anzupassen. Weitere Informationen zu HT-Methoden finden Sie hier: Wärmeübertragung .

Zu Ihrer zweiten Frage; über das Erhitzen einer Vakuumröhre. Was passieren wird, ist, dass sich das Material des Schlauchs selbst erwärmt. Wenn jedoch irgendwo in dieser Röhre ein anderes Objekt platziert wurde, erhält es Wärme durch Strahlung (die gleiche Methode, mit der uns Wärme von der Sonne erreicht) von der Innenwand der Röhre und beginnt selbst Wärme (elektromagnetische Wellen) auszustrahlen.

Dieses Objekt hört auf, heißer zu werden, wenn die Wärme, die es ausstrahlt, gleich der Wärme ist, die es von der Innenwand dieser Röhre empfängt.

Bitte beachten Sie, dass Sie keine Abmessungen oder Mengen in Bezug auf das Wasser oder das Rohr angegeben haben, sodass meine Antwort auf beide Experimente ein allgemeiner Fall ist.

Deine Erklärung ist richtig. Die Kühlung erfolgt, weil jedes Mol Wasser, das verdunstet, ein Mol latente Verdampfungswärme entzieht .

Die latente Verdampfungswärme ist nicht druckabhängig oder zumindest nur sehr geringfügig druckabhängig, sodass die Verdunstung das Wasser auf null Grad Celsius abkühlt und es dann gefriert.

Es scheint, dass die meisten Orte, an denen ich (im Internet) gelesen habe, die Leute die Druckentlastung von Wasser (in einem Vakuum oder Raum) als "Kochen" bezeichnen, aber ich habe sehr selten gesehen, dass dies als Ausgasen des Inneren des Wassers bezeichnet wird gelöste Gase (Stickstoff, Sauerstoff, CO2 oder andere Gase, die in einem Raumfahrzeug verwendet werden können). Im Gegensatz zum herkömmlichen Kochen, bei dem Dampfmoleküle (H2O) aus dem Wasser freigesetzt werden, führt das Einbringen von Wasser in eine Vakuumkammer jedoch dazu, dass das Wasser scheinbar kocht, aber bei Wiederholung dieses Experiments (erneutes Aussetzen desselben Wassers dem Vakuum) das "Kochen". "Ereignis wird erheblich reduziert, wodurch das Ergebnis des Einfrierens ohne große Störung des Wassers erzielt wird. Es ist mehrere Jahre her, dass ich Zeuge dieses Experiments wurde, das in einer Vakuumglocke im Labor wiederholt wurde. aber die beste Erklärung war damals, dass die Menge an gelösten Gasen in der Wasserprobe viel geringer war, wenn dieselbe Probe relativ schnell wieder einem Vakuum ausgesetzt wurde. Woran ich mich nicht erinnere, ist, ob das Wasser bei anschließender Vakuumeinwirkung länger brauchte, um zu gefrieren oder nicht. Wenn es länger dauerte, bis das Wasser dem Vakuum ausgesetzt war, um zu gefrieren, dann würde die Erklärung dafür bestehen, dass die Temperatur des Wassers durch das "Siede"-Ereignis gesenkt wurde, wodurch das Wasser durch diese Temperatursenkung näher an den Gefrierpunkt gebracht wurde. Es scheint jedoch zu folgen, dass das Wasser durch die Verringerung des Gasdrucks im Inneren gefriert, wenn energetisierte Materieteilchen (die Gase) aus dem Wasser entweichen, und die Bewegungsenergie der Wassermoleküle verringert wird, indem sie dem Vakuum ausgesetzt werden , und dies ermöglicht die Bildung von Eiskristallen, die entweder einen festen Zustand in einem Becher oder einer Schale (gebunden durch die Schwerkraft) oder einen schneeähnlichen Zustand ergeben, der im Raum schwebt. Wie in den Beobachtungen des Astronauten festgestellt wurde, können sich aufgrund der verschiedenen im Urin gefundenen Proteine ​​​​aufgrund von Nukleationspunkten in der Flüssigkeit schneeähnliche Kristalle bilden.

Die Phasenverschiebung (Sublimation) von Wasser von Eis zu Dampf findet in einem relativ schmalen Fenster statt. Wenn die Eisprobe bei einer Temperatur über einem bestimmten Niveau bleiben könnte, würde alles im Vakuum des Weltraums verdampfen. Die Verdunstung und die Minustemperaturen des Weltraums kühlen die Probe tatsächlich unterhalb des Phasenverschiebungsfensters ab und bleiben somit als Eis. Bei knapp unter dem Gefrierpunkt und einem konstanten Druck (ca. 500 mTorr) kühlt der Verdampfungs-/Sublimationsprozess die Probe tatsächlich aus dem Fenster heraus und stoppt den Sublimationsprozess, wenn das System versucht, sich zu stabilisieren. In diesem sich selbst überlassenen System würden etwa 30 % der Probe in Dampf umgewandelt und der Rest als Eis zurückgehalten, wenn sich das System stabilisiert. Um den Prozess am Laufen zu halten, müssen Temperatur oder Druck erhöht werden. Im Weltraum gehen BEIDE nach unten und stoppen den Prozess sehr schnell.