Wie lange würde ein 1m^3 größer Wasser-Würfel im Weltraum brauchen um vollständig zu gefrieren?
Hallo,
ich habe eine rein hypothetische Frage:
Angenommen wir haben ein 1m^3 großen Würfel mit einer perfekten Isolation in dem Wasser mit 21°C enthalten ist.
Dieser Würfel schwebt im Weltall.
Nun verschwindet die Isolation auf einen Schlag und das darin enthaltene Wasser würde vollumfänglich dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt sein.
a. Wie lange würde es dauern, bis dieser Würfel vollständig gefroren ist?
b. Falls Antwort a 'sofort' ist, : würde eine sich in Fötus-Position befindliche Person, in der Mitte des Wassers, ebenfalls sofort gefrieren?
Vielen Dank für die Antwort auf die etwas ungewöhnliche Frage,
Grüße
4 Antworten
Nun verschwindet sie Isolation auf einen Schlag und das darin enthaltene Wasser würde vollumfänglich dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt sein.
a. Wie lange würde es dauern, bis dieser Würfel vollständig gefroren ist?
Es gibt sehr schnell keinen Würfel mehr.
Wasser von 21°C, und dann schlagartig kein Druck außer dem, den die Oberflächenspannung verursacht? Das ergibt schlagartig sehr viele Gasblasen im ganzen Würfel verteilt, und da die sich gewaltig ausdehnen wird der Würfel binnen Sekundenbruchteilen in viele kleine Portionen zerteilt.
Sollte es Dir gelingen, die Blasenbildung zu verhindern (hochreines Wasser ohne Kristallisationskeime ist IMO keine Lösung, wie der Name Siedeverzug schon ausdrückt: es siedet später, aber es siedet trotzdem), wäre die Überlegung, abgeleitet aus Verdampfungs- (bei 20°C ca. 2,5 MJ/kg) und Schmelzenthalpie (333 kJ/kg), dass etwa ein Fünftel des Wassers verdampfen müsste, damit der Rest zu Eis von 0°C wird. Das dürfte eher Minuten als Stunden dauern.
Im Mittelpunkt bleibt es etwas (!) länger flüssig, da die Eisschicht rundum die Wärme nur mäßig gut leitet, mit 2,3 W/(m * K) ähnlich wie Beton.
Wasser hat immer einen gewissen Dampfdruck, als Flüssigkeit und auch als Eis, und bis zu einigen zig °C minus ist der auch relevant. Im Normalfall würde sich also eine Wasserdampfblase bilden und das wär's dann mit deinem Würfel. Der Würfel würde sich sowieso durch die Oberflächenspannung (und sehr viel weniger wegen der Schwerkraft) in eine Kugel umformen.
Bei sehr reinen Wasser macht sich der Siedeverzug bemerkbar, also die Behinderung der Blasenbildung mangels Keimen. Dann würde nur an der Oberfläche Wasser verdunsten und die dadurch Wärme verlieren. Außerdem strahlt Wasser Wärme ab, zumindest von Eis weiß ich, dass es im interessanten Bereich des fernen Infrarot fast schwarz ist.
Das ist übrigens auch ein Grund, warum es über Schneefächen so stark abkühlt.
Der Würfel würde also von außen nach innen gefrieren. Flüssiges Wasser ist unterhalb des Drucks am Tripelpunkt (612 Pascal, 1/166 des normalen Luftdrucks ) ohnehin nicht stabil, es kann nur zweierlei geben, Eis und Wasserdampf.
Neben diesem allgmeinen Geschwafel lässt sich die Zeit zum Durchgefrieren weniger leicht abschätzen. Die Stahlung (für Kugel oder Würfel?) müsste man erst mal ausrechnen, je nach Temperatur, die ja auch wieder davon abhängt, wie gut die Wärmeleitung von Wasser und Eis ist. Und wachsen die Kristalle (wie bei Eisblumen) schneller als die Wärmeleitung erfolgt? Scheidet, wenn schon das Verdampfen ausscheidet, auch das Gefrieren aus, denn auch das Gefrieren braucht Keime? Es gibt neben Siedeverzug mit überhitzem Wasser auch einen Gefrierverzug mit unterkühltem Wasser. Gerade in der Meteorologie ein wichtiges Thema.
Ich sag's mal hochpräzise: Ein paar Stunden, oder weniger. Aber keinesfalls sofort.
Wenn es quasi im Vakuum ist, dann es würde zu kochen und zu verdampfen beginnen, bevor es noch frieren kann.
Das Gefrieren würde von Außen nach Innen erfolgen.
Auch würde die Form sich nicht halten.