Siéntete libre de divulgar nuestro sitio y códigos en tus redes sociales, necesitamos de tu ayuda para ampliar nuestra comunidad.
Solución:
Convencionalmente, aunque con justificación, se dice que el espacio comienza en la línea de Kármán, que está a 100 km de la superficie de la Tierra, es decir, todavía bastante cerca. La presión atmosférica a esta altitud cae a aproximadamente 0.032 Pa (wikipedia), que sigue siendo mucho más que en 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 solo puede existir 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 tiene lugar cerca de 200 ° K (alrededor de -73 ° C), que no es tan frío.
Entonces, si deja caer al espacio una gota de agua a temperatura y presión ambiente, instantáneamente comenzará a evaporarse (hervir) y descomprimirse.
Aquí no estoy seguro de lo que pasa. Hay relatos de astronautas en la web que explican que el agua (en realidad, la orina) primero se vaporizará y luego se desublimará en pequeños cristales. Pero no hay explicación de los fenómenos físicos reales que lo impulsan.
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 su frigorífico). Por lo tanto, 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 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 se evapore, de modo que algunas partes del líquido pueden enfriarse hasta congelarse antes de que tengan tiempo de evaporarse. Pero como la ebullición ocurre en todas partes, en realidad rompe el agua restante en pequeños fragmentos que se cristalizan y posiblemente también recolectan parte del vapor para crecer.
De todos modos, aparentemente tienes nieve.
Pero el enfriamiento se debe a la evaporación, que es muy rápido, mucho más que a la radiación que apenas tiene tiempo para producirse.
Evaluación numérica
Analizamos qué sucede con el calor disponible para comprender 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 específico de evaporación del agua es 2270 kJ / kg. El calor específico del agua es 4.2 kJ / kgK Por lo tanto, la evaporación de 1 gramo de agua puede enfriar 2270 / 4.2 = 540 gramos de agua por 1 ° K, o 5.4 gramos por 100 ° K, que es aproximadamente la diferencia entre la temperatura ambiente y el agua ( de) temperatura de sublimación en el espacio. Entonces, mi hipótesis de que no hay suficiente calor disponible para vaporizar toda el agua es correcta, ya que solo alrededor de una sexta parte del agua se puede vaporizar con el calor disponible.
De 5,4 g de agua, 1 g se evaporará, aunque puede enfriarse justo por encima de la temperatura de sublimación de 200 ° K, mientras que los 4,4 g restantes se enfriarán a la temperatura de sublimación sin vaporizarse todavía. Los 4,4 g restantes no pueden permanecer líquidos, por lo tanto, una parte se congela, liberando algo de het latente para que la otra parte se vaporice. La relación entre las dos partes es inversamente proporcional al calor latente específico para congelar y vaporizar.
El calor latente para congelar es 334 kJ / kg. La suma de ambos calor latente es 2270 + 334 = 2604 kJ / kg. Estas cifras son muy aproximadas. Como prueba de cordura, el calor latente de la sublimación del agua es de aproximadamente 2850 kJ / kg (wikipedia), lo que muestra que las cifras probablemente sean correctas con una aproximación del 10%.
La proporción divide los 4,4 g restantes en aproximadamente 3,8 g que se congelan y 0,6 g que se evaporan, lo que hace un total de 1,6 g de agua vaporizada.
Entonces, 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 con bastante rapidez.
De hecho, estaba incómodo con este relato de las historias de los astronautas sobre el agua hirviendo y luego desublimando a la vez, porque eso nos dejaría con todo el calor del que deshacernos muy rápidamente. ¿Cómo? ¿Alguien tiene una cuenta mejor?
Un último comentario es que siempre habrá una parte del agua que se congelará. Inicialmente pensé que el agua muy caliente podría proporcionar suficiente calor para vaporizarse completamente a baja presión. El punto crítico del agua líquida está a 650 ° K (con una presión mucho más alta de la que le gustaría crear en el espacio: 22MPa), que es solo 450 ° por encima de la temperatura de sublimación. Pero el agua debe enfriarse a 540 ° para proporcionar suficiente calor para evaporarse por completo. Por tanto, la temperatura del agua descenderá hasta el umbral de sublimación antes de que se pueda suministrar suficiente calor para evaporarla por completo. Sin embargo, este probablemente sea un análisis muy simplista. Dejo el resto a especialistas.
La transferencia de calor ocurre por tres métodos, convección, conducción y radiación. Solo la radiación ocurre en el vacío, porque a diferencia de los otros dos métodos, es el único método que no necesita un medio material.
La temperatura del agua no desciende en la tierra (nivel del mar), porque a medida que el agua irradia calor, recibe ese calor de vuelta, por la radiación que cae sobre ella de la materia circundante, incluido 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 velocidad mucho mayor y se congelaría.
Respecto a tu pregunta: “¿entonces el agua a presión normal estaría más fría?”, No, la única diferencia es que al vacío, la temperatura del agua es más que suficiente para hervir el agua por falta de presión.
Sin embargo, al nivel del mar, debe 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. Verifique esto para obtener más detalles sobre los métodos HT: Transferencia de calor.
Con respecto a su segunda pregunta; sobre calentar un tubo de vacío. Lo que sucederá es que el propio material del tubo se calentará. Sin embargo, si se colocó otro objeto en algún lugar dentro de ese tubo, recibirá calor por radiación (el mismo método que el calor nos llega desde el sol) desde la pared interna del tubo, y comenzará a irradiar calor (ondas electromagnéticas).
Ese objeto dejará de calentarse más cuando el calor que irradia sea igual al calor que recibe de la pared interior de ese tubo.
Tenga en cuenta que no ha proporcionado ninguna dimensión o cantidad con respecto al agua o el tubo, por lo que mi respuesta a ambos experimentos es un caso general.
Tu explicación es correcta. El enfriamiento se debe a que cada mol de agua que se evapora elimina un calor latente de vaporización molar.
El calor latente de vaporización no depende de la presión, o al menos depende muy poco de la presión, por lo que la evaporación enfría el agua a cero grados centígrados y luego la congela.