Temperatura y presión de ficción - parte 1/3

Esta nota es sobre el espacio de los estados de la materia. Lo cual, en cierto sentido, es más amplio que el espacio de distancias entre objetos en el espacio, y a veces es tan difícil de superar.

Quiero mostrar que los fenómenos naturales pueden ser complejos y no triviales incluso en condiciones muy alejadas de lo terrenal. Que el principal obstáculo para su estudio no son las distancias cósmicas, sino la incapacidad de nuestra imaginación e intuición para trabajar en condiciones desconocidas. Es posible que sea necesario buscar la vida y la mente no solo en las superficies de los planetas similares a la Tierra, ya que son solo una pequeña fracción de la diversidad del universo.

Y para comprender esta diversidad, probablemente se requerirá inteligencia artificial, probablemente más que los cohetes y la astronáutica.

Parte 1. diagrama pT

Echa un vistazo a un punto aleatorio en el universo. Para comprender claramente lo que está sucediendo en él, se deben medir docenas de parámetros físicos. Los más importantes son la presión y la temperatura. Determinan el estado de agregación de una sustancia y, por lo tanto, determinan qué procesos físicos y químicos prevalecerán en ella. Y esto determina la geología, la biología y mucho, mucho más. Al cambiar estos dos parámetros, incluso un poco, puede obtener un entorno que es completamente diferente del que comenzó. La presión y la temperatura son dos coordenadas del "espacio de fase". Y en este espacio es posible, de acuerdo con las condiciones en cada punto, mostrar todo nuestro Universo.

Todo, por supuesto, no dibujé. Pero un par de ejemplos y límites más o menos estudiados en el diagrama causaron:



En términos de temperatura, el espacio de fase familiar se extiende desde 0.002 Kelvin en refrigeradores de laboratorio ^{[ 670 ]} a 30 millones de grados en los núcleos de estrellas de clase O y plasmas termonucleares modernos. El límite superior, por supuesto, es muy arbitrario. Entonces, en pinchazos Z pulsados, la temperatura es controlada ^{[ 655 ]} incluso por mil millones de grados.

La presión entre los límites es aún mayor: casi 60 órdenes de magnitud.

En el borde izquierdo del diagrama hay condiciones en las regiones frías de los huecos intergalácticos (los llamados huecos): ~ 10 ^-27 atmósferas, ~ 10 grados Kelvin ^{[ 270 ] [ 280 ]} . La densidad del gas hay unidades de átomos de hidrógeno por metro cúbico. Puede parecer que el concepto de presión no se aplica a una materia tan enrarecida. Que es solo un vacío con un par de átomos perdidos en él. Pero recuerde que el vacío es un medio con un camino libre medio de moléculas mayores que su tamaño (medio). El rango de hidrógeno antes de colisionar con otro átomo en tales vacíos es de aproximadamente 1 parsec. Sin embargo, los vacíos son decenas de megaparsecs. Obviamente, en tales escalas, el hidrógeno en ellas todavía debe considerarse un medio continuo, con su hidrodinámica, flujo, sonido y ondas de choque. Es solo que todo esto es a gran escala y, desde un punto de vista humano, increíblemente lento.

El límite derecho se puede dibujar de acuerdo con las condiciones en el centro de una estrella de neutrones. La estimación de la presión y la temperatura en él da 10 ²⁹ atmósferas y ~ 1 millón de Kelvin. No se sabe qué materia corresponde a estas condiciones, ya sean neutrones o si ya es un líquido quark.

Dentro de este cuadrado, las condiciones en la superficie de Marte (0.00636 atm, 214 K), Venus (92 atm, 736 K), Plutón ( ^10-5 atm, 50 K), en el centro de Júpiter (3.6 * 10 ⁷ atm, 23 mil grados) y el Sol (2.3 * 10 ¹¹ atm y 1.6 * 10 ⁷ K), en partes calientes y frías del medio interestelar (5 * ^10-19 atm, 3 * 10 ⁶ K y 1 * 10 ^{-1 5} atm, 10 K).

Para mayor comodidad, presentamos una regla de escala. Logarítmico, por supuesto. En fracciones de la diferencia completa en los parámetros de la imagen. Si el 100% del rango de temperatura es 10 ¹¹ veces, entonces el 1% corresponde a una diferencia de temperatura de (10 ¹¹ ) ^1/100 = 1.318 veces. Es decir, en la escala del Universo, un aumento del 1% desde la temperatura ambiente de 293 K significa calentar a 1.318 * 293 = 386 K, o 113 Celsius. Como en un buen baño.

Según la presión del 1% de la diferencia "Universal", la relación significa (10 ⁶⁰ ) ^1/100 = 4.074 veces. Como entre el nivel del mar y una altura de 10 kilómetros.

Finalmente, tomamos las condiciones "normales" como centro de referencia: presión a 1 atmósfera, temperatura a 293 Kelvin, es decir 20 celsius

Y veamos qué y cómo cambia cuando nos alejamos de este centro.

El radio de las mesitas de noche cuadradas

Sin dispositivos auxiliares, una persona sobrevive solo en un estrecho rango de temperaturas y presiones ^[10] . En la imagen, está delineado aproximadamente por una elipse verde y un rectángulo amarillo - ± 1% de eliminación.



Por debajo de +10 C, una persona se congela. Por encima de +30 se sobrecalienta. A presiones inferiores a 0,5 atm, pocos pueden vivir y trabajar. Por encima de 4 atmósferas, se produce anestesia con nitrógeno, bien conocida por los buceadores.

Al mismo tiempo, el hábitat humano moderno en la Tierra es mucho más amplio. Pero la historia de su asentamiento no es principalmente kilómetros de expansión territorial, sino el desarrollo de medios con nuevas temperaturas y presiones. Donde hay pasos serios detrás de cada paso, percibido hoy como un lugar común.

La más antigua de estas tecnologías tiene decenas de miles de años. Esta es la capacidad de hacer ropa abrigada, vivienda portátil y, por supuesto, hacer fuego ^[110] . Gracias a esta trinidad, la gente fue más allá del borde inferior del óvalo verde. Y se instaló en la mayor parte de Eurasia y América, incluidos el extremo norte, Groenlandia y Alaska, donde las heladas van durante semanas decenas de grados bajo cero.

Los trópicos con temperaturas superiores a +30 C están habitados durante mucho tiempo. Pero sin la "plantación" de saneamiento e higiene entre la población, sin un sistema de alcantarillado, suministro de agua e incluso un refrigerador más primitivo ^{[ 115 ],} seguirían siendo lugares muy vulnerables. Agregue aire acondicionado a la imagen y obtenga un turista Dubai en medio de un desierto sombrío.

Las presiones inferiores a 0,5 atmósferas se dominaron con confianza solo en el siglo XX, gracias a la entrada en la escala industrial de dos tecnologías: la creación de salas presurizadas y sistemas de soporte vital. Toda la aviación intercontinental de pasajeros, y en gran medida la coherencia cultural de nuestro mundo, descansa en esto. De hecho, en cualquier momento en el aire a altitudes de 8-12 kilómetros hay medio millón ^{[ 120 ] de} pasajeros que se mueven entre las ciudades de nuestro planeta.

En el desarrollo de altas presiones, la humanidad solo está dando los primeros pasos. Sí, en experimentos con cámaras de presión, las personas vivían a 70 atmósferas ^{[ 130 ]} , y los submarinos se esconden en los océanos a profundidades de hasta medio kilómetro ^{[ 140 ]} . Pero esto difícilmente puede considerarse una presencia completa.

Los ecos de esta expansión, por cierto, se pueden encontrar en la literatura ^{[150], [170], [180], [190] de los} siglos XIX y XX.

A diferencia de los humanos, los animales de inventos (casi) no. Por lo tanto, incluso en la Tierra, los organismos están separados por la diferencia de condiciones mucho más fuertes que la distancia. El oso polar viaja un promedio de 3400 kilómetros por año ^{[ 360 ]} , pero nunca se encontrará con un escorpión del desierto en su vida. Los peces de aguas profundas no se pueden elevar rápidamente a la superficie, y en las cercanías de la estación de Vostok, antes de la aparición del hombre, ni siquiera hubo una vida microbiana durante millones de años, aunque las bacterias indudablemente los llevaron allí por el viento.

Habiendo terminado con un vecindario del uno por ciento, retrocedamos un poco y echemos un vistazo al 10%.

La Tierra con sus océanos, intestinos y estratosfera casi cabe ^{[15] [ 580 ] [ 590 ]} en un rectángulo del 10%. Las condiciones adecuadas para los humanos aparecen en esta escala como una pequeña mancha:



A la derecha y arriba del centro, encontramos el límite de la ingeniería mecánica, dibujado por la línea naranja. A partir de la materia sólida que conocemos, en principio, es imposible construir un dispositivo macroscópico y de funcionamiento continuo que pueda soportar caídas de presión y temperatura hacia la derecha y la parte superior de esta curva. Sus puntos de anclaje son:

• Temperatura ambiente, 27 mil atmósferas: resistencia máxima ^{[ 680 ] de} acero maraging [2800 acero Maraging]. El diamante, sin embargo, es más difícil, pero frágil, y no podemos construir puentes y automóviles a partir de él.
• A 800-1000 C, la máxima resistencia se logra, sin duda, mediante aleaciones resistentes al calor para álabes de turbina. Por cada grado que ganen es un aumento en la eficiencia de los motores de aviación, y cada pascal de fuerza es una reducción de peso y una ganancia en la carga transportada. Por lo tanto, la lucha por estos parámetros es seria. A 1050 grados Celsius, estas aleaciones son capaces de soportar una carga de hasta 4 mil atmósferas ^{[ 690 ]} .
• Con más calentamiento, la lista de materiales estructurales se adelgaza, descendiendo rápidamente a dos: tungsteno y grafito. A 3273 K, según ^{[ 700 ]} , el tungsteno aún soporta alrededor de 140 atmósferas en tensión.
• El carburo de tantalio TaC es probablemente una de las sustancias más refractarias. Es capaz de permanecer sólido hasta ~ 3800 Celsius. Es decir, si realmente necesitamos crear algo mecánico que funcione sin enfriamiento bajo tales condiciones, entonces esto es de alguna manera factible. Pero a 4000 C, eso es todo. No de nada.

En un radio del 10%, aún puede encontrar mucha diversión desde el punto de vista diario:

• A una presión de ~ 50 atmósferas y una temperatura de ~ 10 C, encontrará que el líquido puede flotar en el gas (es decir, la aleación de NaK en el xenón comprimido ^{[ 30 ]} ).
• Si enfría el ambiente a -80 grados, el dióxido de carbono exhalado se congelará, el trineo dejará de deslizarse en la nieve, el ritmo de la mayoría de las reacciones químicas se ralentizará mil veces y el solvente para una vida hipotética en tales condiciones puede ser ... alcohol metílico.
• En 140 atmósferas, el dióxido de carbono forma lagos en el fondo de nuestros océanos ^[25] , y un poco más de metano se une al agua y se deposita en forma de clatratos sólidos, similares al hielo ^{[ 28 ]} .
• Todos saben que el sonido se propaga en el aire, pero no en el vacío. Pero, ¿qué sucede si "desconecta lentamente el enchufe de la toma de corriente" y se mueve suavemente del primero al segundo? Con una caída de presión, en primer lugar, la transmisión del sonido de los altavoces al aire se deteriorará. En segundo lugar, aumentará la absorción en el aire, y cuanto más fuerte, mayor será la frecuencia ^{[340], [ 350 ]} . En algún lugar a ~ 0.3 Pascales (condiciones en Tritón), el camino de la media descomposición de la nota "la" (440 Hertz) se reducirá a un metro. La notificación de sonido a través del aire en tales condiciones será casi imposible, sin mencionar la comunicación de voz.
• Los minerales rocosos se disuelven bastante bien en vapor de agua sobrecalentado. Y esto es precisamente disolución, no una reacción química. Entonces, a 2000 K y 2000 atmósferas, el contenido de equilibrio de cuarzo SiO ₂ en el vapor es aproximadamente 2.2% (de acuerdo con [ 710 ]); Las solubilidades del óxido de hierro FeO y el aluminio Al ₂ O ₃ son aproximadamente las mismas. En un planeta caliente con una atmósfera de vapor de agua, todos estos minerales serán transportados por el viento de la misma manera que el agua en nuestras condiciones.
• Con fuertes caídas de presión, los metales comienzan a "nadar", dejando de ser sólidos en el sentido de ingeniería: aluminio a 400-500 atmósferas, acero a 25 mil ^{[ 680 ]} y basalto a 1-3 mil atm ^{[ 90 ]} . Dichas presiones en la Tierra se crean a profundidades de 4-12 kilómetros, lo que, de hecho, determina el comienzo de la transición de la corteza al manto. Por lo tanto, las rocas mucho más profundas (y en escalas de kilómetros) a veces son más fáciles de describir como un líquido viscoso que como un sólido. Aún más profundo hay que olvidarse de la "incompresibilidad" de los sólidos. Entonces, a 350 GPa - presión en el centro de la Tierra - el cobre se comprimirá en volumen 1.7 veces ^[60] , aluminio - en 2.2, plomo ^[70] - en 2.4.
• A la izquierda y debajo del punto triple de helio (2.177 K, 5043 Pa), los líquidos desaparecen en el mundo. Toda la materia se vuelve sólida o gaseosa. Es cierto que este punto todavía no encajaba en nuestro gráfico, pero apliqué hidrógeno (18.84 K, 7040 Pa). Los líquidos a la izquierda y debajo son unidades.

^{[El artículo fue escrito para el sitio https://geektimes.ru/ . Al copiar, consulte el original. El autor del artículo es Evgeny Bobukh. Puede apoyar al autor con criptomonedas en las direcciones indicadas en el perfil .]}

Finalmente, eche un vistazo al diagrama de fase de hidrógeno ^{[ 100 ]} :



Una de las sustancias más simples del Universo muestra al menos ocho estados diferentes según la temperatura y la presión. ¡Incluso un espacio estúpidamente lleno de hidrógeno solo es potencialmente ocho mundos muy diferentes! Entonces, ¿qué podemos decir sobre la diversidad de estados de sustancias más complejas?

Y ahora sobre literatura y arte.

Utilizando las clasificaciones [ 380 ], [ 390 ], [ 400 ], reuní algunos cientos de nombres de obras de ciencia ficción occidentales, soviéticas y rusas. Agregado a ellos libros leídos en persona. Filtré, dejando solo aquellos que recuerdo claramente, donde al menos en un episodio la acción tiene lugar fuera de la Tierra, y donde es posible estimar al menos el orden de magnitud de la temperatura y la presión en la escena.

Y ponerlos en el diagrama pT:



Su examen cuidadoso le permite hacer varias observaciones:

1. Una mancha azul grasienta cerca del centro es el 53% de las obras cuya acción se lleva a cabo a una presión de una atmósfera y temperatura ambiente, precisa para el clima. Saraksh, Pyrrhus, Dune, Tormans, Leonida, Entsia, Stepyanka, Arkanar: todos estos mundos alienígenas en realidad representan la Tierra y solo la Tierra. Estamos hablando de ficción espacial , te recuerdo.

2. Casi se fusionan con este grupo del 11% de los libros, donde los autores decidieron desviarse de las condiciones terrenales en una fracción de un porcentaje. Digamos, el "País de las nubes carmesí" por el Strugatsky con una temperatura inferior a 90 C y una presión de ~ 1.1 atmósferas, un granjero en el cielo (un granjero en el cielo) de Heinlein (algo así como 0.5 atm y 220 K), o Asimov, meticulosamente entró en la presión a 1.05 de la atmósfera en Baby in the Trap for Simpletons (Sucker's Bait).

3. Otro 11% de las historias se desarrollan en el "espacio sin aire". Pero este desarrollo no depende de si la presión ambiental es de ^10-5 o ^10-20 atmósferas (por cierto, aquí está el problema: ¿cómo distinguir una de la otra con la ayuda de "piedras y palos"?) Ya que ni los autores ni la historia cuentan la diferencia no, atribuí a todos estos trabajos la misma presión lunar de 10 ^{-1 5} atmósferas y, donde no hay referencias a la temperatura, su valor ambiental es 293 K.

4. Alrededor del 25% de los libros contienen episodios donde al menos un parámetro se elimina significativamente de los terrenales y lunares. Esto, por ejemplo, Clifford Simak, "Ciudad" (Clifford Simak, Ciudad), el capítulo sobre Júpiter; Boris Stern, "Un gran avance sobre el borde del mundo"; Strugatsky, "El camino a Amaltea"; Vernor Winge, "Profundidad en el cielo"; Sergey Pavlov, "Moonlight Rainbow".

5. Libros, donde una parte importante de la acción se desarrolla simultáneamente lejos de las temperaturas y presiones terrenales, y donde es importante, las unidades. Entre ellos están:

• Hal Clement, cercano a crítico
• Andy Weir, el marciano
• Georgy Gurevich, "Invitación al Zenith"
• Alexander Belyaev, vendedor aéreo
• Robert Heinlein, "Tengo un traje espacial, listo para viajar", capítulos sobre Plutón
• Larry Niven y Jerry Pournelle, La Mota en el ojo de Dios. Las condiciones en la estrella donde las naves alienígenas interceptaron son una estimación aproximada. Como puede ver, incluso conté episodios tan pequeños.

Este es un pequeño porcentaje de ficción "espacio", y una fracción de un porcentaje de ficción en general. Las obras de este grupo a menudo se distinguen por bajos méritos artísticos, que, como veremos, tiene una explicación muy razonable.

6. Ni un solo trabajo que me resulta familiar se elimina más allá del ± 25% de las condiciones normales.

A primera vista, incluso el 1% de los libros con entornos inusuales no es una cifra tan mala. Pero mira la pregunta más ampliamente. Supongamos que alguien promete hacer una lista de las atracciones de la ciudad. Después de mucho trabajo, ella prepara un documento. En el que el 64% se dedica a las características del apartamento del autor, el 11% se dedica al techo de su casa, y solo alrededor del 5% de las notas comienzan con las palabras "ahora veamos la siguiente calle ..." Esta puede ser una lista maravillosa, puede ser magnífica e informativa. Pero es obvio que debido a la cobertura extremadamente desigual, casi nada interesante en la ciudad se incluyó en esta lista. Lo mismo, por desgracia, es la portada de la ciencia ficción moderna: muchos puntos cerca de las "condiciones normales", éxitos aislados más allá de ellos y vastos espacios vírgenes lejos de ellos.

Se opondrán a mí ahora y argumentarán con razón que las virtudes de la buena ciencia ficción no se encuentran en la descripción de los fenómenos físicos en las entrañas de Betelgeuse.

Esto es verdad Un mérito significativo de los autores mencionados se encuentra principalmente en el estudio del comportamiento humano frente a lo impensable e incomprensible. En la creación de grandes historias. En previsión de la tecnología y el análisis del desarrollo de la humanidad. Al inventar ideas que son tan extrañas y sorprendentes que su no estándar ya es un valor universalmente reconocido. Los experimentos mentales de Lem, Dick, Strugatsky y Bradbury, incluso si se establecieron a una presión de una atmósfera y temperatura puramente ambiente, a veces nos permitieron entender al hombre y a la humanidad no menos que los estudios en laboratorios totalmente equipados. Y la ciencia ficción no es física. No está obligada a escribir sobre nuevas temperaturas y presiones. En la URSS, en los años 60, por cierto, intentaron forzar de alguna manera. El horror sucedió. Tengo una muestra en mi estante. Tan salvaje que no puedes tirarlo.

Todo esto es verdad.

Pero también es cierto que la ciencia ficción, la misma ciencia ficción que incluso hace unos 50 años llamó a la gente al espacio, ¡hoy se cayó del último automóvil! El tren de la realidad física se ha ido, y ella, sin darse cuenta de esto, continúa soñando con algo sola en una plataforma fría. Y esta brecha aumenta cada año.

Parece que la ficción, como la ingeniería y la fisiología humana, también tiene su propio "hábitat". Se puede dibujar en un diagrama pT. Y él tiene sus propios límites.

Continuación