ŚFiNiA

Niepoprawna

Co się stanie z kropelką wody wrzuconą w przestrzeń kosmiczną?

wujzboj

Pewno wyparuje, zanim zamarznie. Ale jeśli będzie dostatecznie duża, to pewno zamarznie, zanim wyparuje.

O.K.

wujzboj

Dlaczego odwrotnie?

Niepoprawna

http://www.youtube.com/watch?v=EzahpSqGbVg

A tu coś takiego znalazłam: [link widoczny dla zalogowanych]

O.K.

wujzboj

Bardzo ładny obrazek i bardzo dobre pytania.

Ale... Pierwsza szybka myśl, bez wnikania w szczegóły, jest taka, że kropla parując zazwyczaj zmniejsza się. Wobec tego, jeśli tylko większa kropla nie zostanie rozpylona na poszczególne cząsteczki H2O, staje się z czasem mniejszą kroplą (lub mniejszymi kroplami), tyle, że chłodniejszą (chłodniejszymi). (Woda parując ochładza się, bo uciekają z niej najpierw te najcieplejsze cząstki H2O, gdyż to one są najszybsze). Stąd należy przypuszczać, że jeśli większa kropla wyparuje, to mniejsza wyparuje tym pewniej; jeśli jednak większa zamarznie, to mniejsza niekoniecznie zamarznąć musi. Mniejsza kropla ma więc mniejszą szansę zamarznięcia, niż większa. Innymi słowy, chociaż im mniejsza jest kropelka, tym szybciej traci ciepło, to większa kropelka parując staje się właśnie taką małą kropelką.

Ale może większa kropla ulegnie rozpyleniu, a mniejsza - nie? W zasadzie nie jest to wykluczone, bo ciecz wrze "całą objętością", to znaczy pęcherzyki pary pojawiają w całej objętości, a każdy powstaje na jakimś zanieczyszczeniu. Mniejsza kropla ma szansę być wolna od takich zarodzi i dlatego może zostać przechłodzona aby następnie spokojnie zamarznąć w kryształek lodu, natomiast większa kropla może zostać rozerwana przez pęcherzyk pary, który powstał gdzieś w jej środku na jakimś brudzie. Tyle, że siły rozrywające kropelkę nie działają równomiernie na każdą cząsteczkę H2O; po prostu w kropelce rozchodzi się fala ciśnienia. Większa kropla zostanie więc raczej rozsadzona na mniejsze kropelki, zapewne połączone ze sobą - zamieni się w śniegową gwiazdkę. Śniegowa gwiazdka to posklejane drobinki lodu, czyli posklejane zmarznięte mniejsze kropelki.

Mała kropelka może więc albo wyparować, albo zamarznąć w kryształek lodu. Dostatecznie duża zamarznie, ale raczej stając się śniegową gwiazdką, niż pojedynczym kryształkiem. Wielkie kroplisko ma natomiast sporą szansę stać się lodową bryłką, pewno spękaną. (Nie wiem, jak wielka musi być kropla, żeby stała taką bryłką się stała, ale "kropla" wielkości oceanu zamarznie, a nie wyparuje.)

Napięcie powierzchniowe nie powinno odgrywać tu roli, bo znika na granicy pomiędzy wrzącą cieczą i jej parą nasyconą, a granica pomiędzy powierzchnią kropelki i uciekającą z niej parą powinna być granicą przypominającą granicę pomiędzy wrzącą cieczą i jej parą nasyconą.

O.K.

Witam.

Moje rozumowanie szło mniej więcej w ten sposób.

Kropelka wody w próżni kosmicznej (zakładamy że osłoniętej od światła słonecznego) znalazłaby się w obszarze gdzie niskie ciśnienie uniemożliwiałoby istnienie wody w fazie ciekłej. Zostaje alternatywa albo gaz albo ciało stałe.

Trzeba przy tym zauważyć że mielibyśmy tutaj sytuację silnie nierównowagową -kropla wody o o dodatniej temperaturze (w stopniach Celsiusa) wyrzucona w próżnię o temperaturze paru K (próżnia nie jest wcale pusta, jest w niej kilka cząstek na cm^3 i fotony, stad można mówić o temperaturze). Gradient paskudny i ciężko tu o precyzyjny opis (zwłaszcza w przypadku skomplikowanie oddziałującej wody).

Temperatura kropli i próżni niewątpliwie dążyłaby do wyrównania. Jak kropla oddawałaby ciepło?
Przez przewodzenie? Nie ma tu prawie z czym oddziaływać?
Przez konwekcję -jakaż tu wymiana materii z próżnią?
Przez promieniowanie -to moim zdaniem główny mechanizm. Kropla wody pozbywałaby się energii promieniując w widmie podczerwonym.

Tak czy owak ilość wypromieniowanej energii w jednostce czasu zależy od powierzchni kropli, a ta zależy jak r^2. Natomiast ilość energii wewnętrznej kropli zależy od jej objętości (zakładamy że obie krople, większą i mniejsza miały tę samą temperaturę wyjściową), czyli jak r^3. Porównanie wykładników sugeruje ze mniejsza kropla będzie się szybciej chłodzić, więc ma większe szanse zamarznąć w większej części aniżeli wyparować.

Druga rzecz to napięcie powierzchniowe, które oprócz ciśnienia zewnętrznego utrzymuje kształt kropli. Im mniejsza kropla tym siła ta bardziej znacząca. Pełni rolę podobną do powłoczki balonika. Może się rozszerzać, ale nie bez końca.

Woda wrzeć nie musi wcale przy powierzchni, pęcherzyki mogą pojawiać się wewnątrz bańki. Pewnie może dochodzić do takich paradoksów jak to że para może być chłodniejsza od wody (wszystko zależy od lokalnych fluktuacji ciśnienia).

Ciężko cokolwiek powiedzieć.

Być może stanie się tak że z dużej kropelki zostanie niewielki kawałeczek lodu a zmalej kropelki nic. Ale ja obstawiam odwrotnie, że o z małej kropelki większy % pozostanie w formie stałej. Choćby dlatego że nie wydaje mi się realne (choć to głównie moje subiektywne przypuszczenie) że gdybym wyrzucił ze statku kosmicznego wiadro wody to to wiadro zamarzłoby mi szybciej niż gdybym wypuścił drobny strumień kropelek które utworzyłyby kryształki lodu. O ile wiem to wielkie bryły lodu fruwające w kosmosie raczej powstały ze skupienia się małych kryształków, niż na odwrót.

Dowody empiryczne? trzeba by pogrzebać gdzieś na stronach z filmikami NASA. Przy czym obecnie o ile wiem to płynne nieczystości raczej sprowadzane są z powrotem w ziemską atmosferę aniżeli wywalane za burtę.