Bir Bardak Su, Uzayda Kaynar mı, Yoksa Donar mı?

İşte size üzerine düşünmek için güzel bir soru: Bir bardak su, uzayda kaynar mı, yoksa donar mı? Örneğin bardağın Güneş'e olan mesafesinin, Dünya ile Güneş arasındaki mesafeye (~150 milyon kilometre) eşit olduğunu varsayabilirsiniz.

Burada düşünmeniz gereken 3 faktör var: Bir yandan, uzay, suyun donma sıcaklığından çok daha soğuktur: Yaklaşık -270^oC. Öte yandan, Güneş'ten gelen ışınlar en nihayetinde Dünya'yı ısıtmaya, hatta yer yer suyu kaynatacak düzeylere ulaşmaya yetmektedir. Son olarak, uzay neredeyse tamamen boştur ve bu nedenle basınç, inanılmaz düşüktür. Bir sıvının üzerindeki basınç ne kadar düşükse, kaynaması o kadar kolay olur. Bu durumda sormak gerekiyor: Bu faktörlerin hangisi baskın gelir? Hangi olay daha önce gerçekleşir? Bunları cevaplayabilmek için, şunu sormamız gerekiyor: Vakumda suyun kaynama noktası nedir?

Deneysel Cevap

Cevabı hemen verelim; çünkü uzay boşluğunda suya ne olacağını zaten deneysel olarak biliyoruz: Kaynayacaktır. Astronotlar uzaydaki idrarlarını uzay boşluğuna bıraktıklarında, idrar hızlıca kaynayarak buharlaşır. Bu buhar, birden kırağılaşarak (yani gaz fazından direkt katı faza geçerek) ufacık idrar kristallerine dönüşür. İdrar tamamen sudan oluşmaz; ama idrara da suya olan şeyin aynısının olmasını bekleyebiliriz.

Sıcaklıktaki ani düşüşler, su moleküllerinin kristalleşmesine neden olmaktadır. Örneğin kar tanelerinin oluşumunda gördüğümüz budur.

Sıcaklık ve Basıncın Dengesi

Bunu anlayabilmek için, birkaç kavramı anlayalım: Sıcaklık, moleküllerin hareketinin bir ölçüsüdür; dolayısıyla uzayda sıcaklığın olmadığını söyleyemeyiz. Ancak ve ancak etrafta hiç madde yoksa, yani kusursuz vakum ortamındaysanız, o ortamda sıcaklık da yoktur denebilir.

Uzay, kusursuz bir vakum değildir; ama buna çok yakındır. Şöyle düşünün: Dünya'da üzerinize binen basınç, her bir metre kareye 6x10²² adet hidrojen atomunun çarpması ile aynıdır. Yeryüzünde inşa ettiğimiz vakum odaları, bunu yaklaşık 1 trilyon kat azaltır. Uzayda ise bu, yeryüzündeki vakum odalarında erişebildiğimizden milyonlarca, hatta milyarlarca kat daha azdır.

Bir bardak suya aktarılacak ısı, bardağın güneş ışığıyla ya da başka bir şeyle temas halinde mi yoksa karanlıkta tek başına mı oluğuna bağlıdır. Temas veya akışkanlar yoluyla değil de, radyasyon yoluyla olan ısı transferi oldukça verimsizdir; ancak uzayda olan da budur. Bir cisim, ısı kaynağına ne kadar yakınsa, o kadar fazla ısı alır. Ne kadar uzaksa (veya gölgedeyse, dolayısıyla üzerine radyoaktif ışınım düşmüyorsa), o kadar soğuk olacaktır.

Uzayın derinliklerinde bir cismin sıcaklığı inanılmaz derecede soğuktur ve uzayınkiyle yaklaşık olarak aynıdır: -270°C ya da 3K. Öbür yandan parlatılmış alüminyumun Güneş ışığı altında sıcaklığı 454°C'ye ulaşabilir. Bu, çok büyük bir sıcaklık farkıdır! Dolayısıyla sıcaklığı taşıyabilecek bu kadar az parçacık varken, suyun uzayda donmasını bekleyebilirsiniz. Çünkü günlük yaşantımızdan aşina olduğumuz gibi, suyun bulunduğu ortamdaki sıcaklığı hızla düşürecek olursanız su, donacaktır.

Basıncın Etkisi

Ancak uzaydaki atom sayısından etkilenen tek şey sıcaklık değildir. Atom sayısı ne kadar az ise, basınç da o kadar az olacaktır. Dünyadaki suyu düşünün: Su, dağın zirvesindeyken, deniz seviyesine göre daha çabuk kaynar; çünkü üzerindeki basınç çok daha düşüktür. Bunun sebebi, üzerinizdeki atmosfer sütununun uzunluğunun çok daha az olması, dolayısıyla üzerinize binen çok daha az molekül olmasıdır. Hatta bazı dağların zirvesinde kaynar suyu hiç ağzınız yanmadan içebilirsiniz; çünkü bu yükseklikte kaynayan suyun sıcaklığı oldukça düşük olabilir.

Örneğin aşağıdaki tabloda ilk satırdaki basınç, deniz seviyesindekine eşittir. Sonraki satırlarda basınç giderek azalır, yani yerden yükseklere çıkarsınız. İlk iki sütunda, suyun kaynama sıcaklığını Fahrenheit ve Celsius cinsinden görebilirsiniz. Dikkat ederseniz, basınç düştükçe, suyun kaynama sıcaklığı da dikkate değer miktarda azalmaktadır. En nihayetinde, kusursuz vakuma ulaştığınızda su, neredeyse anında kaynayacaktır; çünkü sıcaklık en fazla -270°C'ye kadar düşebilecektir. Bu durumda, suyun etrafındaki basınç aşırı düşük olduğundan, uzayda kolayca kaynamasını bekleyebilirsiniz.

ToughtCo

Hava basıncının kaynamaya etkisini uzun süredir biliyoruz ve hatta yüksekliği ölçmede bunu kullanmaktayız. 1774'te William Roy, yüksekliği saptamak için barometrik basıncı kullandı. Ölçümleri bir metre kadar düşük bir hata payı çerçevesinde doğruydu. 19. yüzyılın ortalarında kaşifler, haritaları için yüksekliği ölçmek için suyun kaynama noktasını kullandılar.

Teorik Cevap

Bunu çabucak görmeyi zorlaştıran şey, bir kap suyun uzayda bulunduğu ortamın hem sıcaklığının hem de basıncının çok düşük olmasıdır. Ve aslına bakarsanız, sorunun soruluş biçimine göre cevap da biraz değişebilir. Çünkü uzayda açık bırakılan bir kap, önce hızla kaynayacaktır, sonra donacaktır.

Bunun teorik nedeni şudur: Suyun sıcaklığını aşırı hızlı bir şekilde değiştirmek çok zordur; çünkü suyun kendisi ile uzay boşluğu arasındaki sıcaklık farkı (sıcaklık gradyanı) devasa büyüklükte olsa da, suyun ısı tutma kapasitesi çok yüksektir. Dahası, suyun yüzey gerilimi dolayısıyla uzayda küresel bir formda kalmaya meyillidir, bu da yüzey alanını azaltarak, inanılmaz soğuk olan çevresiyle ısı alışverişini en aza indirir. Bu nedenle donma işlemi inanılmaz yavaş yaşanacaktır (bunu teorik olarak alt etmenin tek yolu, her bir su molekülünü ayrı ayrı ısıtmak olurdu).

Basınç konusunda ise böyle bir sınır yoktur. Suyun dışındaki basınç pratik olarak sıfıra eşit olduğu için, kaynama olayı anında gerçekleşebilir. Böylece su, buhara dönüşecektir. Ancak bu sırada ısı kaybı da devam ettiği için, bu buhar kırağılaşacak ve katı faza geçecektir.

Ancak su kaynarken ve buharlaşırken, moleküllerin hacmi artar, dolayısıyla her bir molekül arasındaki mesafe de kat kat artar. Bu nedenle az önce hızla buharlaşan su, şimdi sıfır basınç altında çok hızlı bir şekilde soğur. 210 K (-63.5°C) sınırını geçtiğiniz anda, basınçtan bağımsız olarak su katı faza geçer, yani buzlaşır. Bunu, aşağıdaki faz diyagramının alt kısmına bakarsanız görebilirsiniz: -63.5°C sıcaklığın altında su, her türlü buza dönecektir.

Dolayısıyla uzayda serbest bıraktığınız bir kap suya olacak olan tam olarak şudur: Önce su, hızla kaynayacak ve çok cılız bir buhara dönüşecektir. Bu buhar, sonrasında donmaya başlayacak ve birbirine iyi bir şekilde bağlanmış buz kristalleri yaratacaktır.

Bunu aslında Dünya üzerinde deneyimlemeniz mümkündür: -30°C'den soğuk bir ortamda, kaynama sıcaklığına çok yakın derecede bir kap suyu alıp havaya fırlatacak olursanız (ve yüzünüze sıçratmamayı başarırsanız), bu etkiyi aynen görebilirsiniz:

Basınçtaki ani düşüş (nihayetinde kabın içerisindeyken suyun üzerinde ek su vardır ama havaya fırlatıldığında her bir parçası üzerindeki basınç hızla azalır), suyun kaynama sıcaklığını aşmasını sağlar ve birden kaynar. Ancak hava o kadar soğuktur ki, daha bu kaynayan su (buhar) donmaya başlar ve kristalleşir, yani kar oluşur.

Kendiniz Deneyin!

Laboratuvar ortamında, oda sıcaklığında kaynayan bir su, suya etkiyen basınç azaltılarak (yarı-vakum ile) kolaylıkla elde edilebilir. Uzayda olan da tam olarak budur. Ancak suyun vakumda nasıl kaynadığını görmek için uzaya gitmek tahmin edebileceğiniz üzere pek de pratik olmaz. Neyse ki aynı etkiyi sınıfınızda ya da evinizde, rahatınızı hiç bozmadan gözlemleyebilirsiniz.

Tek ihtiyacınız olan bir şırınga ve su. Şırıngayı (iğneye gerek yok) pek çok eczaneden veya laboratuvardan bulabilirsiniz.

1. Şırınganın içine biraz su çekin. Sadece gözlemleyebilecek kadar olması yeterli, şırıngayı ağzına kadar doldurmayın.
2. Şırınganın ucunu parmağınızla kapayın. Eğer parmağınızı incitmekten korkuyorsanız bir parça plastik de kullanabilirsiniz.
3. Suya bakarken, şırıngayı mümkün olduğu kadar hızlıca çekin. Suyun kaynadığını gördünüz mü?

Sonuç

Sonuç olarak su, uzayda ve herhangi bir vakum ortamında hemen kaynar. Uzayın sıcaklığı çok düşüktür; çünkü sıcaklık, molekül hareketinin bir ölçüsüdür ve uzayda aşırı az sayıda molekül bulunur. Uzaydaki bir bardak suyun sıcaklığı, ona vuran bir güneş ışığı olmasına, bardağın bir objeyle temas halinde olmasına ya da bardağın karanlıkta öylece yüzüyor olmasına göre değişebilir. Su uzayda buharlaştıktan sonra, buhar donabilir ya da buhar olarak da kalabilir. Kan ve irin gibi diğer vücut sıvıları da tıpkı su gibi hemen kaynar ve buharlaşır.