На главную страницу

Всё вещество, попадающее в космос, в том числе и выплеснутая в него вода, подвергается почти мгновенно превращению в вакуум. Вода, выплеснутая в космос тоже должна быстро превратиться в вакуум.

(с) Бред А.Тюняева

 

 

Все мозгодятлы из дурдомов для альтернативно одарённых постоянно задают вопрос - что будет с водой, выплеснутой в открытый космос? Ну почему космонавты такие сволочи, что не провели для нас простейший эксперимент?!!! Значит, нет никакого космоса и никаких космонавтов, нам все врут! Уа-уа-уа... Дайте соску!

Если честно, этот вопрос интересовал и меня тоже. Только было это классе, этак, в 7-8. Потом появились более интересные темы для размышлений.

Но, похоже, уровень отечественного образования упал на столько низко, что даже такие идиотские вопросы вызывают дикие споры в интернетах, особенно, в комментариях ютуба.

Я дам ответ на этот вопрос, но сначала для разминки мозга читателя предлагаю ответить на совсем другой вопрос из физики для 7-го класса.

Все помнят про закон Архимеда - "на тело, погружённое в жидкость, действует... " и так далее. Все помнят легенду, по которой Архимед открыл этот закон и, выскочив голым на улицу, заорал "эврика!!!". Но я, таки, напомню.

Царю Сиракуз Гиерону II поступил донос, что при изготовлении золотой короны царский ювелир часть золота притырил, а корону сделал из сплава золота и серебра. Корона по весу соответствовала количеству золота, выданного ювелиру. Тогда Гиреон II поручил учёному Архимеду выяснить этот вопрос. Корона была очень сложной формы... Более-менее полное и совершенно неверное изложение есть, например, здесь.

Такая же неправильная интерпретация дана в старом советском мультике "Коля, Оля и Архимед".

Мало того, что в такой интерпретации выдающийся математик, инженер и филосов по интеллекту ставится вровень с сегодняшними... хм... альтернативно одарёнными, так ещё из этой интерпретации совершенно непонятно, при чём тут закон Архимеда и Архимедова сила? А ведь в указанном мультике Оля этот закон цитирует.

Так вот у меня вопрос - что же на самом деле делал Архимед, и каким образом закон гидростатики (закон Aрхимеда) помог установить, что корона сделана не из чистого золота?

Для справки: плотность золота - 19.30, плотность серебра - 10.49.

Это было лирическое отступление. Вернёмся к нашей воде.

Сначала вспомним, что такое космос. Пусть и не очень дальний. Космос - это пространство, в котором почти полностью отсутствует вещество. По крайней мере, его там на много-много порядков (в число с многими-многими нулями раз) меньше, чем на Земле. Для нашего случая вполне можно принять приближение, что вещества там нет совсем. Раз в космосе нет вещества, то космос не имеет температуры, ибо температура - это свойство именно вещества. Это очень важно, так как говорит нам, что единственный возможный способ обмена теплом в космосе - излучение. А излучение - самый неэффективный способ теплопередачи. Особенно, если температура тела или вещества ниже нескольких тысяч Кельвин.

Таким образом, при выходе человека в космос в скафандре, основная задача, помимо обеспечения ему возможности дышать и двигаться - защитить космонавта от перегрева. Ведь человеческое тело непрерывно выделяет тепло. На земле тело обдувается воздухом, унося избыток тепла, а в космосе в скафандре теплу уходить некуда. Скафандр становится термосом. Или идеальной шубой. Если тепло не отводить, то космонавт просто умрёт от теплового удара.

Идеальное вещество для охлаждения скафандра - вода. Её теплоёмкость самая высокая из всех известных веществ. Так что скафандры охлаждаются обычной водой. И иногда система ломается, а вода попадает внутрь скафандра, что вызывает "нездоровые сенсации" в среде альтернативно одарённых. Плюс, воду можно понемножку стравливать в космос в виде пара, тем самым понижая температуру воды в скафандре.

Ещё несколько общеизвестных данных про воду:

Плотность - 1 г/см3 = 1000 кг/м3
Удельная теплоёмкость - 4,2 кДж/(кг*К)
Удельная теплота парообразования - 2256,2 кДж/кг
Удельная теплота плавления - 332,4 кДж/кг

Теперь берём всем известную диаграмму фазовых состояний воды:

Пояснения для тех, кто всё забыл.

По горизонтальной оси отложена температура в Кельвинах. Сами градусы Кельвина и Цельсия совпадают. Только смещено начало таким образом, что ноль Кельвин равно -273 градуса Цельсия. Следовательно комнатная температура в 23 градуса по Цельсию будет равна 273+23=296 Кельвин. Обычно для простоты берут 300 Кельвин.

По вертикальной оси отложено давление в логарифмической шкале. Давление дано в Паскалях (н/м2). Если округлить 9,81 до 10, то давление в одну техническую атмосферу равно 105 Паскалей.

На МКС поддерживается давление в одну атмосферу.

Чтобы не плодить несколько графиков, я все фазовые точки отмечу на той же самой диаграмме.

Пусть мы взяли 1 литр воды, что соответствует 1 килограмму по массе. В условиях МКС (и земных тоже) это будет точка 1. Допустим мы "выплеснули" этот литр в открытый космос (вынесли бутылку и открыли. В этом ничего сложного. Обычная ПЭТ-бутылка выдерживает давление до 3 атмосфер).

Что произойдёт? Да просто давление мгновенно упадёт до нуля и мы переместимся на фазовой диаграмме в точку 2. В этой точке вода в жидком состоянии находиться не может, она резко вскипит. Вскипит по всему объёму. Интенсивность кипения будет зависеть от того, сколько в воде примесей, взвешенных частиц и растворённого газа (кислород, азот). В любом случае, вся вода бурным фонтаном кипящих брызг вылетит из бутылки, а бутылка, в соответствии с законом сохранения импульса, улетит в другую сторону (Старшее поколение помнит такую штуку, как кастрюля-скороварка. Там избыточное давление всего-то 0,15-0,2 атмосферы и избыточная температура всего около 5 градусов, а борщ с потолка кое-кому отскребать приходилось).

При кипении вода будет очень быстро отдавать тепло (оно будет уноситься молекулами, перешедшими в газообразное состояние) и очень быстро окажется в точке 3, то есть в состоянии начала кристаллизации.

Можно примерно прикинуть, какая часть воды "выкипит", пока остальная вода не станет льдом.

Ещё одно лирическое отступление.

Я делал диплом в институте химии УНЦ АН СССР. У нас в лаборатории была такая полезная штука как вакуумная печка для отжига образцов. Кроме прямого назначения, её использовали и "в личных целях". Летом в жару можно было поставить стакан воды и включить насос. Через пару минут получаем стакан холодной воды. Даже с корочкой льда сверху. А в соседней лаборатории работал парень чуть постарше меня. Он был альпинист. Так вот он в этой печке делал сублиматы (колбаса, мясо, тушонка, ещё что-то) чтобы носить на себе только полностью обезвоженные продукты.

Рассмотрим три процесса - кипение, охлаждение и кристаллизация.

По-хорошему, надо решать интегральное уравнение, так как масса воды в процессе кипения уменьшается. Но мы попробуем показать, что этим количеством можно пренебречь.

Итак, для того, чтобы охладить 1 кг воды до точки замерзания, её надо охладить на 25 градусов. Пусть на это ушло Q1 количество теплоты.

Q1= 4,2 кДж/(кг*К)*1кг*25K=105 кДж.

Прикинем, сколько при этом испарится воды:

m1=(105 кДж)/(2256,2 кДж/кг)=0,046 кг.

То есть для того, чтобы весь объём воды остыл до точки кристаллизации, должно выкипеть 45 грамм воды - 4,5% от исходной массы. Но имеем в виду, что пока у нас вся вода, кроме 45 испарившихся грамм жидкая в виде мелких брызг летящих во все стороны. Силой поверхностного натяжения пока заморачиваться не будем, хотя чем меньше капля, тем эта сила больше.

А дальше наша система будет не спеша двигаться к точке 4.

Прикинем, сколько ещё воды превратится в газ, пока наши мелкие брызги не станут льдинками.

На полную кристаллизацию понадобится отдать ещё

(332,4 кДж/кг)*(m-m1)=332 кДж

И прикинем, сколько ещё воды перейдёт в газовую фазу.

m2=(332 кДж)/(2256,2 кДж/кг)=0,147 кг.

Вот и ответ, почему никому из космонавтов не приходит в голову выплёскивать воду в открытый космос. Потому что из литра воды получится облако льдинок массой более 800 грамм, разлетающееся во все стороны.

Орбитальная скорость МКС примерно 7,3 км/с. С такой же скоростью будет лететь и это облако льдинок, всё время увеличиваясь в размерах. Встреча с такой льдинкой массой в полграмма будет эквивалентна встрече с пулей из АКМ. И кому это надо? Только альтернативно одарённым дебилам.

 

С уважением,
ваш Marksman