Ведро воды в космосе: замёрзнет или испарится?

Недавно от одного из подписчиков нашего телеграм канала я получил следующий вопрос:

Давайте разберёмся вместе, что же произойдёт.

Температура разреженного вещества в космическом пространстве сильно колеблется в зависимости от того где это вещество находится. Для простоты наших рассуждений будем рассматривать ситуацию, когда наше ведро с водой оказалось на орбите Земли, в её тени, где температура может опускаться до минус 170 градусов.

Возможно ли охлаждение в космическом вакууме?

Существует три типа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Для первых двух способов необходимо, чтобы тело ( в данном случае жидкая вода) находилось в прямом контакте с каким-либо другим телом. Только при наличии контакта происходит передача тепла, Так например в земной атмосфере вода в ведре обменивается теплом со стенками ведра и воздухом атмосферы.

А вот тепловое излучение работает независимо от наличия вещества вокруг тела. Любое нагретое тело постоянно испускает тепловое излучение. Тепловое излучение «разлетается» во все стороны и тепло передаётся любому другому телу, которое окажется на пути этого излучения. В условиях вакуума тепловое излучение является единственным механизмом теплопередачи. Именно этим способом тепло передаётся например от Солнца к Земле. Поэтому охлаждение и замерзание вещества в космосе вполне возможно. Вещество будет просто испускать излучение уменьшая свою температуру.

«Странное» кипение в вакууме.

Температура, при которой жидкость закипает, зависит от давления окружающей среды. Так если увеличить атмосферное давление в 2 раза, то вода закипит при температуре около 120 градусов, а если снизить давление до 7% от нормы, то вода закипит уже при 20 градусах Цельсия. Этот факт хорошо известен например альпинистам: вода высоко в горах закипает не достигнув 100 градусов по Цельсию. В условиях космического вакуума давление настолько низкое, что его невозможно зафиксировать прямым измерением. Вода в таких условиях мгновенно закипит независимо от температуры и, как ни странно, именно это может привести её к замерзанию.

Как кипящая вода может замёрзнуть?

За счёт кипения вода будет отдавать огромное количество тепла и её температура будет быстро снижаться, намного быстрее чем от теплового излучения, каждый, кто хоть раз выпускал из баллона с дезодорантом много газа за раз, мог ощутить, насколько жидкость в баллоне охлаждается при этом. Аналогичная ситуация и с кипением воды.

В зависимости от формы и размеров емкости вода может успеть покрыться ледяной коркой, которая предотвратит дальнейшее кипение и вода будет медленно остывать за счёт теплового излучения, но для этого посудина должна иметь большой объём и узкое горлышко, как например у винной бутылки. После этого в условиях вакуума вода будет сублимировать, то есть переходить из твёрдого напрямую в газообразное состояние. Со временем весь лёд перейдёт в газообразное состояние, так что, можно сказать, что вода сначала частично испарится, потом замёрзнет, а потом испарится полностью.

А что будет, если отправить воду в космос без посудины?

Если же мы выплеснем ведро воды в космосе, то защитная корка не сможет образоваться, вода будет разбросана кипением в окружающее пространство в виде мелких капель, часть воды быстро испарится, а остальная образует микроскопические кристаллы льда, которые, в свою очередь, также будут сублимировать вплоть до полного испарения.