水在太空中为什么会先沸腾再冻结？而不是直接迅速结冰？

水是生命之源，是生活中最最常见的物质，在地球上绝大多数的水都以液态的形式存在。就你现在所处的位置而言，我们被大气层包裹着，就像盖了一层厚厚的棉被，再加上太阳的无私奉献，无论是白天还是晚上，液态水几乎可以在地球表面上的任何地方稳定的存在。但我们知道太空的环境与我们在地球上所处的环境截然不同，那如果我们把液态水带到外太空，肯定不是结冰就是沸腾！但是这两种现象哪个先发生呢？

温度和压力都会改变水的相态

外太空虽然和地球表面只有两处截然不同的地方，但是这两方面非常重要！首先外太空非常寒冷，如果在没有阳光直射下的情况下或者在离恒星非常遥远的地方，其温度只比绝对零度高了不到3K，其次外太空是我们所知最好的无压真空环境。地球上的标准大气压代表着在地球表面每平方米上6×10^22个氢原子的压力，而我们人类创造的最好的真空室压力能下降到标准大气压的1万亿分之一，但星际空间的压力却要比这个数小几百万倍甚至几十亿倍！

换句话说，外层空间时与地球上的情况相比，温度和压力都有小的惊人。这里就会出现一个矛盾的地方！你看，如果你把液态水放到一个温度降到冰点以下的环境中，水会很快形成冰晶。更别说太空的零下270.3℃！

如果我们远离任何恒星或光源，太空中唯一的温度就是来自大爆炸留下的辉光：宇宙微波背景。这个辐射海洋的温度只有2.7开尔文，在这个温度下足以把氢冻成固体，更不用说水了。所以，如果我们把水带到太空，它应该会结冰，这没错吧？很符合常理，而且结冰的的速度也异常迅速。

但是我们还知道液态水周围环境的压强降低，水的沸点就会降低。这个现象我们非常熟悉，在高海拔地区，水在较低的温度下就会沸腾；这是因为高处的大气稀薄，水表面的压强降低，水分子在获得更小动能的情况下，就会跑出来。如果我们增加水表面的压力，水分子想从水里跳出来就需要更大的动能，也就是温度。

在高原地区，气压再小还时有压力的，如果我们把液态水放在真空室中，然后迅速地将空气抽出，在这种极端环境下水会发生什么？

水沸腾了，而且沸腾的很厉害！原因在于处于液态的水，既需要有一定的压力范围，也需要一定的温度范围。如果液态水在一个固定的温度下，不断降低周围环境的压力，水就会立即沸腾。

同样，如果液态水在一个固定的压强下，不断地降低周围环境温度，就会导致水立即冻结！

所以说把液态水放到太空中，其实是对水同时做两件事：把液态水从合适的温度和压力的组合环境中拿出来，移到一个更低的压强和更低的温度环境中，这两个条件一是可以让水沸腾，在一个就是让水结冰。我们可以先把液态水带到国际空间站，在那里有稳定的温度和压力，水可以以液态的形式存在。

在空中水会发生什么？是先结冰还是沸腾？

当我们把液态水放入太空，水肯定不会在以液体的形式存在，但是沸腾、结冰两种情况会发生哪一种？

答案是两者都会发生：水会先沸腾，然后在冻结！其实国际空间站的宇航员已经做过这个实验，但这个实验并不是刻意去做的，而是过去宇航员会把在太空中收集到的尿液定期排到太空中，据亲眼目睹的宇航员说：

将尿液排入太空，会产生剧烈的沸腾。然后水蒸气会立即进入固态，最后会得到一团冰封的尿液结晶。

那为什么水会先沸腾呢？

其中的物理原因是：水的比热容很高。我们经常用水来冷却物体，水在吸收同样的热量下，温度上升的更慢，而降低同样的温度，水损失的热量也更低。

所以要想迅速改变水的温度就要大量的损失热量，这个过程稍微有点缓慢，所以让水短时间结冰非常困难的，因为即使是水和星际空间之间的温度梯度很大，但水也能很好地保存热量。此外，由于表面张力的作用，水在空间中往往会保持球形，同样的体积球形表面积最小，这实际上就最小化了水与太空环境交换热量的表面积。所以冻结过程会非常缓慢，除非想办法让每个水分子单独的暴露在真空中。水可能就来不及沸腾！

但是对于压强来说没有这么多的限制；压力下降会直接作用到水的表面，可以立即让水沸腾，使水进入气态（水蒸气）阶段！

当水沸腾时，气体的体积比液体要大多少，分子间的距离更远。这就是上面说的，让单个水分子暴露在太空，这意味着在水沸腾后，水蒸气可以迅速冻结！我们再看一下水的相图。

如果温度低于210k，无论压强是多少，水都将进入固态相。所以这就是在太空中水所发生的事情：首先水会沸腾，然后非常细小的雾就会变成了冰，形成脆弱，精细的冰晶。