Question

Что будет, если стакан с водой поместить в вакуум на Земле и в космосе?

На Земле - поместить стакан с водой в очень большую по объему камеру, из которой выкачан воздух до очень низкого давления (например, 10^-6 мм рт.ст.). Камера должна быть большой, чтобы испарения из стакана практически не изменили вакуум. В космосе это можно сделать, если космонавт выйдет в открытый космос (конечно, в скафандре) со стаканом воды.

Answer 1

Согласно закону Максвелла, всегда найдутся молекулы, которые обладают достаточной скоростью (импульсом), чтобы преодолеть силы внутреннего взаимодействия и покинуть жидкость. Поэтому, вода из стакана будет испаряться. Тем более в вакууме, когда на "выходе" ничто, кроме сил притяжения, не мешает покинуть жидкость.

Далее, в следствие испарения, температура воды будет уменьшаться и вода замерзнет. Но опять же вероятность того, что во льду найдется "горячая молекула" отлична от нуля. Лед будет также испаряться (явление сублимации или возгонки). Температура льда будет опускаться, но до абсолютного нуля она не дойдет: в космосе есть различные источники энергии, которые будут подпитывать молекулы льда энергией. На земле стенки вакуумной камеры тоже имеют определенную температуру, а значит излучают какую-то энергию, которая также будет нагревать лед.

В конечном итоге, если проводить эксперимент достаточно длительное время, лед испарится. После этого испарится и сам стакан, т.к. стакан подвержен абсолютно тем же законам природы, что и лед. Единственная разница в том, что скорость возгонки стекла и льда отличаются (у льда она значительно выше).

И еще один момент. Согласно теории распределения Максвелла-Больцмана, силовое воздействие поля никак не влияет на распределение молекул по скоростям (импульсам).

Answer 2

Если давление низкое в обеих случаях будет происходить одно и то же.

При низком давлении будет сильное испарение воды.

Сначала будет бурное кипение и бурление воды.

Уровень воды будет быстро снижаться.

Температура будет снижаться.

И в конце температура воды может достигнуть нуля и вода замерзнет.

Превратится в лед. Лед будет рыхлый.

Если в космосе, то вода, или то, во что она превратится, то есть льдинки, из стакана перейдет в пространство.

Answer 3

Можно провести модельные расчеты при некоторых условиях: в стакане 200 г воды при температуре +20°С.

1. Что будет на Земле, когда действует сила тяжести на воду в стакане (эта сила прижимает воду ко дну). Предположим, что для воды в стакане отсутствуют внешние источники теплоты, а теплоемкостью стакана можно пренебречь. Предположим также, что в вакууме кипение не очень бурное, вода не выплескивается из стакана, брызги не летят, но интенсивно испаряется. На испарение воды тратится очень много энергии: 2260 Дж/г. Эта энергия берется из самой воды (больше по условию неоткуда), следовательно, она охлаждается. Теплоемкость воды хорошо известна: 4,2 Дж/(г К). Холодная вода продолжает кипеть (теплота испарения мало зависит от температуры жидкой воды) и остывать. Когда температура воды опустится до 0°С, оставшаяся вода замерзнет. А при замерзании воды, как известно, энергия не тратится, а выделяется: 330 Дж/г. Дальше составляем уравнение: замерзло х г воды, испарилось (200 - х) г. Если грубо принять, что энергия, потраченная на испарение (200 - х) г воды и на охлаждение от 20 до 0°С той воды, которая замерзла (х г) равна энергии, которая требуется для замерзания х г воды, то получается простое уравнение, решение которого дает х ≈ 180 г. И испарилось 20 г. Это в идеале (и если в рассуждениях не было ошибки :).

Если не учитывать энергию на охлаждение воды, результат мало изменится: замерзнет всего на 5 г меньше.

1. В космосе, где нет силы тяжести и вода в стакане не давит ни на дно, ни на стенки, дует иначе. Известно, что испарение воды идет не только с поверхности: пузыри пара образуются на малейших неровностях и царапинках на стенках и дне стакана. И тогда даже маленькие пузырьки на стенках и на дне вытолкнут воду из стакана. Возможно, в виде не одного большого шара, а нескольких маленьких. Каждый такой шар будет испаряться - но только с поверхности. Вода при этом так же, как и в стакане на Земле, будет испаряться, а остаток замерзнет. В идеальном случае образуется в сумме столько же льда, как и на Земле.

Answer 4

На Земле, в вакууме, при температуре выше нуля градусов по Цельсию вода закипит и испарится. В вакууме при невесомости вода из стакана выйдет, так как естественное состояние жидкости в невесомости - сфера, которая формируется силой поверхностного натяжения. Испарение воды из сферы может происходить с разной скоростью в зависимости от температуры, но при одинаковой температуре воды на Земле и в невесомости испарение будет происходить быстрее в невесомости из-за большей поверхности испарения.