О влиянии вакуума на фазовое состояние вещества

[Ruslan_Sharipov]

Спор возник на форуме astronomy.ru между мной и модератором форума Раттусом в вопросе о принципиальной возможности создания вакуумного человека, то есть человека, способного находиться в вакууме без скафандра. Одним из аспектов проблемы создания такого человека является подбор жидкого растворителя, нелетучего в условиях вакуума, взамен воде. В качестве такого растворителя я предложил ионные жидкости. На что Раттус сказал, что ионных растворителей, удовлетворяющих критерию оставаться жидкими при околонулевом давлении, не существует. В ответ я привёл ему ссылку на следующую публикацию.

R. Agrawal, S. Seager, I. Iakubivskyi, W. P. Buchanan, A. Glidden, M. D. Seager, W. Bains, J. Huang, J. J. Petkowski, Warm, water-depleted rocky exoplanets with surface ionic liquids: A proposed class for planetary habitability, PNAS, 2025 Vol. 122, No. 33, e2425520122, DOI 10.1073/pnas.2425520122.

В данной публикации говорится о возможности жидких ионных растворителей на обеднённых водой экзопланетах в диапазоне условий от 300 K при давлении $10^{ -7} $ атмосфер до 350-470 K при давлении 0.01 атмосферы. Однако Раттуса это не устроило и он стал утверждать, что есть принципиальная разница между вакуумом в $10^{-7} $ атмосфер и вакуумом открытого космоса в $10^{ -13} $ атмосфер, после чего обвинил меня в злостной дезинформации читателей в области базовой физики фазовых состояний веществ.

У меня вопрос: действительно ли есть принципиальная разница между вакуумом в $10^{ -7} $ атмосфер и вакуумом открытого космоса в $10^{ -13} $ атмосфер в контексте использования ионных жидкостей для замены воды в биологических организмах, специально создаваемых для условий открытого космоса?

[Ghost_of_past]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698749 писал(а):

В ответ я привёл ему ссылку на следующую публикацию.

R. Agrawal, S. Seager, I. Iakubivskyi, W. P. Buchanan, A. Glidden, M. D. Seager, W. Bains, J. Huang, J. J. Petkowski, Warm, water-depleted rocky exoplanets with surface ionic liquids: A proposed class for planetary habitability, PNAS, 2025 Vol. 122, No. 33, e2425520122, DOI 10.1073/pnas.2425520122.

Публикация, на которую Вы ссылаетесь, рассматривает условия на экзопланетах, а не в открытом космосе. На планете даже с разреженной атмосферой могут быть механизмы, способствующие сохранению жидкости на поверхности (например, низкая температура или наличие очень слабого давления). Ионные жидкости могут оставаться жидкими в условиях, близких к вакууму, что доказывает приведенная вами статья. Утверждение Rattus о том, что "ионных растворителей, удовлетворяющих критерию оставаться жидкими при околонулевом давлении, не существует", является не совсем точным.

Тем не менее он прав, утверждая, что существует огромная разница между $10^{ -7} $ атмосфер и $10^{ -13} $ атмосфер, особенно в контексте испарения. Скорость испарения при $10^{ -13} $ атмосфер будет значительно выше, чем при $10^{ -7} $ атмосфер, что делает поддержание жидкого состояния еще более сложной задачей. В любом случае даже если ионная жидкость будет стабильна в вакууме, ее химические и физические свойства не подходят для замены воды в биологических системах.

P.S. Не уверен, что это тема именно для физического раздела форума.

[realeugene]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698749 писал(а):

действительно ли есть принципиальная разница между вакуумом в $10^{ -7} $ атмосфер и вакуумом открытого космоса в $10^{ -13} $ атмосфер

Ничего не знаю про конкретно эти жидкости, но в общем случае есть две неприятности:

1. Давление насыщенных паров жидкости при указанной температуре если и будет сравнимо с первой величиной, оно гораздо больше второй. Отношение давлений - миллион раз. Это много.
2. Длина свободного пробега молекул этой жидкости в её паре может оказаться сравнимой с метром при первом давлении и сравнимой с размером планеты при втором.

[Ruslan_Sharipov]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698749 писал(а):

Действительно ли есть принципиальная разница между вакуумом в $10^{ -7} $ атмосфер и вакуумом открытого космоса в $10^{ -13} $ атмосфер в контексте использования ионных жидкостей?

realeugene в сообщении #1698855 писал(а):

Ничего не знаю про конкретно эти жидкости, но в общем случае есть две неприятности: 1. Давление насыщенных паров жидкости при указанной температуре если и будет сравнимо с первой величиной, оно гораздо больше второй. Отношение давлений - миллион раз. Это много. 2. ,,,

В Википедии говорится, что ионные жидкости невозможно очистить перегонкой, поскольку давление их насыщенного пара составляет порядка $10^{-13}$ мбар. Переводя миллибары в атмосферы, получаем цифру порядка $10^{-16}$ атмосфер. Даёт ли эта цифра что-нибудь в понимании поведения ионных жидкостей при давлении $10^{ -13} $ атмосфер? То есть будут ли они устойчиво жидкими в условиях открытого космоса?

[realeugene]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698875 писал(а):

В Википедии
говорится

Вы сами эту ссылку из Википедии проверяли?

[Ruslan_Sharipov]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698875 писал(а):

Вы сами эту ссылку из Википедии проверяли?

Источником для цифры $10^{-13}$ мбар в Википедии является резюме доклада аспиранта кафедры неорганической химии МГУ Плешакова Е.А. на тему "Ионные жидкости. Основные свойства и применения." В качестве руководителя значится к.х.н. Иткис Д. М., в качестве рецензента к.х.н. Иванов А.С. Доклад был сделан 16.12.2014 в 16:45 в аудитории БХА. На сайте кафедры также обозначена дипломная работа Плешакова Е.А. 2012 года на тему "Синтез сложных литий-содержащих фосфатов 3d элементов с контролируемой морфологией частиц".

Перейдём к независимым источникам. Есть работа
M. Ahrenberg, M. Beck, Ch. Neise, O. Keßler, U. Kragl, S. P. Verevkin, Ch. Schick, Vapor pressure of ionic liquids at low temperatures from AC-chip-calorimetry, Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, issue 31, DOI 10.1039/C6CP01948J

В ней для жидкости 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide в диапазоне температур от 358 K до 780 K авторы намерили давление паров, меняющееся в диапазоне от $10^{-6}$ Па до $10^3$ Па. При пересчёте на атмосферы получается от $10^{-11}$ атмосфер до $10^{-2}$ атмосфер. Данные изображены в форме картинки. Шкала по вертикальной оси логарифмическая. Шкала температуры по горизонтальной оси инверсная (1000/T). Экстраполируя линейный вид графика к температуры T=273 K, я получил падение давления от 4 до 5 порядков приблизительно к цифре $10^{-11}$ атмосфер. В итоге вышла цифра между $10^{-15}$ и $10^{-16}$ атмосфер. Это примерно согласуется с данными Плешакова Е.А.

[realeugene]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698931 писал(а):

резюме доклада аспиранта кафедры неорганической химии МГУ Плешакова Е.А. на тему "Ионные жидкости. Основные свойства и применения." В качестве руководителя значится к.х.н. Иткис Д. М., в качестве рецензента к.х.н. Иванов А.С. Доклад был сделан 16.12.2014 в 16:45 в аудитории БХА. На сайте кафедры также обозначена дипломная работа Плешакова Е.А. 2012 года на тему "Синтез сложных литий-содержащих фосфатов 3d элементов с контролируемой морфологией частиц".

Ага. Не выглядит как надёжный источник.

-- 19.08.2025, 15:36 --

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698931 писал(а):

В ней для жидкости

То есть речь идёт не про любые ионные жидкости, а только про некоторые? В Википедии упоминаются ионные жидкости видимо с более лёгкими молекулами с температурой кипения в пару сотен градусов. Температура кипения обычно соответствует давлению паров в одну атмосферу.

Какая для вашей жидкости температура плавления? Обычно что достаточно легко плавится, то достаточно легко и кипит. Хоть это не точно, конечно.

[Ruslan_Sharipov]

realeugene в сообщении #1698938 писал(а):

Ага. Не выглядит как надёжный источник.

Выглядит или не выглядит, но данные Плешакова Е.А. примерно согласуются с данными из другого источника, который можно считать надёжным.

realeugene в сообщении #1698938 писал(а):

То есть речь идёт не про любые ионные жидкости, а только про некоторые?

Авторы приведённого мной надёжного источника характеризуют объект своего исследования словами archetypical ionic liquid.

realeugene в сообщении #1698938 писал(а):

Какая для вашей жидкости температура плавления? Обычно что достаточно легко плавится, то достаточно легко и кипит. Хоть это не точно, конечно.

По данным из приведённого мной Выше надёжного источника температура кипения для 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide равна $1120\pm 50$ K. Она скорее всего тоже получена экстраполяцией приведенного в источнике графика. Температуру плавления данной ионной жидкости удаётся найти в справочнике sigmaaldrich.com от продавца. Она равна -15°C. Данная вещь плавится легко, а кипит не так легко.

Повторю свой вопрос: можно ли считать ионные жидкости устойчиво жидкими в условиях открытого космоса?

[realeugene]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698952 писал(а):

характеризуют объект своего исследования словами archetypical ionic liquid.

Есть какая-то разница как они что называют?

-- 19.08.2025, 16:59 --

Ruslan_Sharipov в сообщении #1698952 писал(а):

Повторю свой вопрос: можно ли считать ионные жидкости устойчиво жидкими в условиях открытого космоса?

Испаряться будет, вопрос только в скорости. Можете попытаться оценить скорость испарения в вакуум исходя из молекулярно-кинетической теории идеального газа и условия отсутствия обратного потока молекул газа к поверхности.

[Ruslan_Sharipov]

realeugene в сообщении #1698954 писал(а):

Можете попытаться оценить скорость испарения в вакуум исходя из молекулярно-кинетической теории идеального газа и условия отсутствия обратного потока молекул газа к поверхности.

Верно. Это хорошая идея. Возьмём распределение Максвелла по проекции скорости на направление, перпендикулярное площадке $S$. Оно даётся формулой

$$ f(v)=\sqrt{\dfrac{m}{2\pi k T}}\exp\left(\dfrac{-mv^2}{2k T}\right). $$

Число молекул, прилетевших в площадку $S$ за время $t$ даётся интегралом, который легко вычисляется

$$ N=Stn\int\limits^\infty_0v f(v)dv=Stn\sqrt{\dfrac{kT}{2\pi m}}. $$

Здесь n - это концентрация молекул в газе. Ударившись о площадку и упруго отскочив от неё, они передают ей импульс, который тоже легко считается:

$$ p=2Stnm\int\limits^\infty_0v^2 f(v)dv=StnkT. $$

Этот же импульс можно посчитать через давление насыщенного пара $p=PSt$, а число $N$ можно посчитать через скорость испарения $\nu$ с единицы площади в единицу времени $N=\nu St$. Отсюда

$$ \dfrac{\nu}{P}=\dfrac{N}{p}=\sqrt{\dfrac{1}{2\pi kTm}}. $$

Если мы хотим выразить скорость испарения в массовых единицах, то надо взять величину $\eta=\nu m$:

$$ \eta=P\sqrt{\dfrac{m}{2\pi kT}}=P\sqrt{\dfrac{M}{2\pi RT}}. $$

Здесь M - молярная масса газа, а $R = 8,31446261815324$ Дж/моль/К - универсальная газовая постоянная. В нашем случае вещество 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide имеет молекулярную массу $M=391,31$ г/моль $= 0,39131$ кг/моль. Температуру берём $T=273,15$ К, а давление насыщенного пара берём $P=10^{-15}$ атмосферы по верхней оценке, которая у нас получилась. В паскалях это $P=1,01325\cdot 10^{-10}$ Па. Подставив всё в полученную выше формулу, находим

$$ \eta\approx 5,3\cdot 10^{-13} \text{кг/м}^2\text{/c}. $$

В не високосном году 31536000 секунд. Полученная выше цифра означает, что с поверхности одного квадратного метра в условиях абсолютного вакуума испарится за год 0,016 грамма нашего вещества. Для вакуумного человека такая летучесть нисколечки не повредит.

[Утундрий]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1699046 писал(а):

Для вакуумного человека такая летучесть нисколечки не повредит.

Особенно, если он сферический...