Почему Вода, которая окажется в космосе замерзнет и станет льдом ?

Лично наблюдала, что творится со стаканом воды в вакуумной установке. Через несколько секунд после включения насоса (простого насоса, не высоковакуумного) , вода бурно вскипает и прямо на глазах испаряется. Но не вся. Когда процесс заканчивается, на стенках стакана остаются небольшие кусочки льда.

Механизм здесь такой. Посмотрите на фазовую диаграмму воды. Температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления. При комнатной температуре вода кипит, если давление снизить примерно до 0.07 атм. То есть, если температура воды комнатная, то при 0.07 атм вода начинает кипеть. При этом в парообразное состояние переходят молекулы воды с самой высокой энергией. За счёт этого температура воды понижается. Если давление поддерживать постоянным, то в конце концов вода охладится до температуры, когда она перестанет кипеть.

Однако если давление ниже 610 Па (давление тройной точки воды) , то вода не может находиться в жидком состоянии – либо лёд, либо пар. Поэтому при очень низких давлениях большая часть воды испаряется, а оставшееся превращается в лёд. Например (см. фазовую диаграмму) при давлении 100 Па граница раздела между льдом и паром проходит примерно при 250K. Тут надо смотреть закон распределения молекул по скоростям. Предположим от фонаря, что 5% самых медленных молекул воды имеют среднюю температуру 250K. Значит при давлении 100 Па испарится 95% воды, а 5% превратится в лёд, причём температура этого льда будет 250 К.

Эти рассуждения, конечно, не учитывают всяких тонкостей типа скрытой энергии фазовых переходов, перераспределение молекул по скоростям при охлаждении, однако думаю, что качественно они правильно описывают процесс.

В космосе давление существенно ниже, однако не равно нулю. А кривая раздела льда и пара на фазовой диаграмме при снижении давления идёт в точку (T = 0; P = 0). То есть при любом сколь угодно малом (но ненулевом) давлении температура сублимации льда ненулевая. Это значит, что подавляющая часть воды испарится, но какая-то микроскопическая её часть превратится в лёд.

Тут есть ещё один нюанс. Космос пронизан излучением с температурой примерно 3 K. Это значит что охладиться ниже 3 K вода (лёд) не сможет. Поэтому итог процесса зависит от давления сублимации льда при температуре 3 K. Поскольку граница сублимации стремится к нулю по очень крутой экспоненте

P = A exp(-k/T), причём A порядка 10^11 Па, а k примерно 5200,

то давление сублимации при 3 К экспоненциально мало, поэтому вода должна испариться вся (или лёд сублимировать весь, если хотите) .