Começa Com Um Estrondo

A água congela ou ferve no espaço?

Crédito da imagem: ESA/NASA, de Andre Kuipers, via http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2014/05/Andre_Kuipers_water_droplet.

Aqui na Terra, é líquido o tempo todo. Mas no espaço, isso é impossível!

Você não pode cruzar o mar apenas parando e olhando para a água.
– Rabindranath Tagore

Se você trouxesse água líquida para o espaço sideral, ela congelaria ou ferveria? O vácuo do espaço é muito diferente do que estamos acostumados aqui na Terra. Onde você está agora, cercado por nossa atmosfera e relativamente perto do Sol, as condições são perfeitas para que a água líquida exista de forma estável em quase todos os lugares da superfície do nosso planeta, seja dia ou noite.

Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center Imagem de Reto Stöckli, instrumento Terra Satellite / MODIS.

Mas o espaço é diferente de duas maneiras extremamente importantes: é resfriado (especialmente se você não estiver sob luz solar direta ou mais longe de nossa estrela), e é o melhor vácuo sem pressão que conhecemos. Enquanto a pressão atmosférica padrão na Terra representa cerca de 6 × 10^22 átomos de hidrogênio empurrando para baixo cada metro quadrado na superfície da Terra, e enquanto as melhores câmaras de vácuo terrestres podem chegar a cerca de um trilionésimo disso, o espaço interestelar tem uma pressão que é milhões ou mesmo bilhões de vezes menor que isso!

Crédito da imagem: NASA.

Em outras palavras, há uma queda incrível tanto na temperatura quanto na pressão quando se trata das profundezas do espaço sideral em comparação com o que temos aqui na Terra. E, no entanto, é isso que torna essa pergunta ainda mais problemática.

Veja, se você pegar água líquida e colocá-la em um ambiente onde a temperatura esfria abaixo de zero, ela formará cristais de gelo em um tempo muito, muito curto.

Crédito da imagem: Viatcheslav Ivanov , de seu vídeo no Vimeo: http://vimeo.com/87342468 .

Bem, o espaço é muito, muito frio. Se falamos em ir para o espaço interestelar, longe (ou sombreado) de qualquer estrela, a única temperatura vem do brilho remanescente do Big Bang: o Fundo Cósmico de Microondas. A temperatura deste mar de radiação é apenas 2,7 Kelvin , que é frio o suficiente para congelar o hidrogênio sólido, muito menos água.

Então, se você levar água para o espaço, ela deve congelar, certo?

Crédito da imagem: Richard Sennott/AP, via http://www.theguardian.com/science/2014/sep/19/faith-wisdom-science-tom-mcleish-review .

Não tão rápido! Porque se você tomar água líquida e baixar a pressão no ambiente ao seu redor, ferve . Você pode estar familiarizado com o fato de que a água ferve a uma temperatura mais baixa em grandes altitudes; isso ocorre porque há menos atmosfera acima de você e, portanto, a pressão é menor.

Crédito da imagem: Thomson Higher Education.

Podemos encontrar um ainda mais grave exemplo deste efeito, no entanto, se colocarmos água líquida em uma câmara de vácuo e, em seguida, evacuarmos rapidamente o ar. O que acontece com a água?

Crédito de animação: Mr. Grodski Chemistry, via YouTube em https://www.youtube.com/watch?v=glLPMXq6yc0 .

Ferve, e ferve violentamente! A razão para isso é que a água, em sua fase líquida, requer tanto uma certa faixa de pressão quanto uma certa faixa de temperatura. Se você começar com água líquida em uma determinada temperatura fixa, uma pressão baixa o suficiente fará com que a água ferva imediatamente.

Mas, em primeira mão, novamente, se você começar com água líquida em um determinado pressão , e você abaixa a temperatura, isso fará com que a água imediatamente congelar !

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia commons Cmglee .

Quando falamos em colocar água líquida no vácuo do espaço, estamos falando em fazer as duas coisas simultaneamente: pegar água de uma combinação de temperatura/pressão onde é um líquido estável e movê-la para uma pressão mais baixa, algo que a faz querer ferver, e movendo-o para uma temperatura mais baixa, algo que o faça querer congelar.

Você pode trazer água líquida para o espaço (a bordo, digamos, da estação espacial internacional), onde ela pode ser mantida em condições semelhantes às da Terra: a uma temperatura e pressão estáveis.

https://www.youtube.com/watch?v=ntQ7qGilqZE

Mas quando você coloca água líquida no espaço – onde ela não pode mais permanecer como um líquido – qual dessas duas coisas acontece? Ele congela ou ferve?

A resposta surpreendente é ele faz os dois : primeiro ele ferve e então congela! Sabemos disso porque era isso que costumava acontecer quando os astronautas sentiam o chamado da natureza enquanto estavam no espaço. De acordo com aos astronautas quem viu por si mesmo:

Quando os astronautas fazem um vazamento durante uma missão e expelem o resultado para o espaço, ele ferve violentamente. O vapor então passa imediatamente para o estado sólido (um processo conhecido como dessublimação ), e você acaba com uma nuvem de cristais muito finos de urina congelada.

Há uma razão física convincente para isso: o alto calor específico da água.

Crédito da imagem: ChemistryLand, via http://www.chemistryland.com/CHM151S/06-Thermochemistry/Energy/EnergyUnitSpecificHeat.html .

É incrivelmente difícil mudar a temperatura da água rapidamente , porque embora o gradiente de temperatura seja enorme entre a água e o espaço interestelar, a água retém o calor incrivelmente bem. Além disso, por causa da tensão superficial, a água tende a permanecer em formas esféricas no espaço (como você viu acima), o que realmente minimiza a quantidade de área de superfície que ela tem para trocar calor com seu ambiente abaixo de zero. Portanto, o processo de congelamento seria incrivelmente lento, a menos que houvesse alguma maneira de expor cada molécula de água individualmente ao vácuo do próprio espaço.

Mas não há tal restrição à pressão; é eficaz zero fora da água, e assim a ebulição pode ocorrer imediatamente, mergulhando a água em sua fase gasosa (vapor de água)!

Mas quando essa água ferver, lembre-se de quanto mais volume gás ocupa do que o líquido, e quanto mais distantes as moléculas ficam. Isso significa que imediatamente após a fervura da água, esse vapor de água - agora com pressão efetivamente zero - pode esfriar muito rapidamente! Vamos dar outra olhada no diagrama de fases para a água.

Crédito de imagem: Henry Greenside de Duke, via http://www.phy.duke.edu/~hsg/363/table-images/water-phase-diagram.html .

Quando chegar abaixo de cerca de 210 K, você entrará na fase sólida da água – gelo – não importa qual seja sua pressão. Então é isso que acontece: primeiro a água ferve, e então a névoa muito fina que ela ferve congela, dando origem a uma rede tênue e fina de cristais de gelo.

Acredite ou não, temos uma analogia para isso aqui na Terra! Em um dia muito, muito frio (é tem cerca de -30° ou mais baixo para que isso funcione), pegue uma panela com água fervente e jogue-a para cima (longe de seu rosto) no ar.

A rápida redução da pressão (passando de ter água em cima para apenas ar) causará uma fervura rápida, e então a ação rápida do ar extremamente frio sobre o vapor d'água causará a formação de cristais congelados: neve!