把水放入太空會沸騰,那沸騰的蒸汽分子去哪了?

2020-12-04 李論科學

地球上的水和水的一些常識

據我們目前所知,地球在宇宙中是一個另類的存在,不說宇宙,我們現實一點,綜觀整個太陽系,沒有一顆星球像我們地球母親這樣平靜和藹可親!雖然它有時也發發脾氣,你說哪個母親還不教育孩子呢!哈哈。在我們地球上水可以以液體的形式穩定的存在,我們一出生就生活在這顆藍寶石上,水對我們來說習以為常,以至於我們都不去考慮液態水這種物質在宇宙中是多麼的稀有。

那我們地球上有多少水呢?我們看幾個形象的數據。如果你把地球上水打包稱一下,它的重量將超過10^18噸,這個包裹的大小比有史以來最大的小行星還要大,和冥王星的大衛星卡戎相當。總的來說,這是很多很多水,足夠填滿一個直徑1385千米的球體!

即使在地球上液態水也只能在符合標準情況下存在,假如,你把一杯溫水放到海拔高的地方,它就可能沸騰,變為氣體,高度越高沸點越低。那麼為什麼大氣壓變低水的沸點也會降低呢?

因為在地球正常的大氣溫度下,水分子具有一定的動能,並以一定的平均速度運動。而平均速度下就有一些比較活躍的分子具有很高的動能,它就有足夠的能量逃離液相變成氣體;這時大氣壓就會提供一個反作用力把這些調皮搗蛋的水分子按在水裡。所以增加大氣壓,水就更難以氣體的形式逸出;降低大氣壓,水就沸騰了。引申到我們生活中這就是為什麼高壓鍋裡的水,沸點更高,但是在高海拔地區,還沒燒呢水就開了。(如果想多了解關於熱力學分子運動可以戳連結細說麥克斯韋妖的誕生和消亡史,它為人類帶來兩個深刻物理學意義)

另一方面,水在低溫下也不能成為液體。你可以從下圖中看到如果你從液態水開始,可以通過降低壓強把水變成氣體,也可以通過降低溫度把它變成固體。

我們已經了解水的三種狀態關係了。所以問題來了:

如果你把一杯水帶到外層空間,這杯水會有怎樣的結局:

回答這個問題也需要了解外層空間。一提到外層空間,我們腦海裡第一印象就是:寒冷、黑暗、空蕩蕩。

宇宙空間的溫度,是大爆炸138億年以後冷卻剩下的輻射餘溫。這就是我們常說的宇宙微波背景輻射,整個宇宙的溫度只有2.7開爾文。如果你在太空不讓自己受太陽、地球和周圍所有其他熱源的輻射,那麼外空就是這麼刺激涼爽!

這個溫度僅比絕對零度高不到3度,也就是零下455華氏度,零下270.45攝氏度。所以當我們把人類送上太空時,就必須保持合適的溫度和壓力。但在國際空間站這樣的封閉環境中,水的行為除了失重外與地球上的非常相似。

但是,如果你把一杯水水放到溫度極低壓強為零外太空,會發生什麼?水是在低溫下結冰,還是在沒有壓力的情況下沸騰?

事實證明,壓力真空會導致水的相位立刻發生轉變,水幾乎是立即沸騰變為氣態,而相對於溫度來說則需要相當長的時間才能下降到讓水轉變為固態的溫度。換句話說,沸騰的效果比冷凍的效果快。

那麼還有個問題,沸騰的水分子去哪了?水在太空中沸騰,就有一些孤立的水分子處於氣態,但在一個非常非常冷的環境下!這些微小的水蒸氣會立即凍結,並變成冰晶。

其實太空人經常能看到這種現象:當太空人將飛船內的尿排到太空時,水會劇烈沸騰。然後蒸發立即進入固態,最終形成一團非常細小的冰凍尿液晶體。

潑水成冰的科學原理

通過描述有沒有想體驗下這種神奇的現象。其實在東北的冬天有很多人都幹過同樣的事,(雖然有些人不成功,倒是潑了自己一身水)如果你拿著一杯開水,在一個非常非常寒冷的日子,把它灑向空中,會發生什麼?

由於用力灑出去的一瞬間,水的表面積急劇增加,導致水分子高速運動,這時水就立刻沸騰為蒸汽。由於外界溫度特別低,然後蒸汽又立即凝結形成冰晶。我們就看到了上圖中美麗的景象!這也是太空中水所發生的現象。

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    微重力環境下的水會漂浮在空中,如果不及時用吸水紙吸掉飄進電子設備裡,有可能會造成電路短路或傳感器失效,進而影響太空飛行器的安全。所以航天員喝水用下圖中的水袋,通過吸管吸著喝。核沸騰是指發生在固體到液體界面上的一種傳熱形式。當容器與水的溫差增大到一定程度時,由於受熱的容器表面並不是完美光滑的,有很多微小的空穴裡面藏有氣體,氣體受熱逸出,這些逸出的氣體帶來了最初的汽化核。汽化核是液體沸騰的必要條件,沒有汽化核的情況下,即使水被加熱到沸點也不會沸騰,水的溫度會繼續升高,成為過熱液體。
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