Как устроен термос

Я уверен, что такую вещь, как термос представлять не нужно. Термос всегда поможет сохранить горячее горячим, а холодное — холодным. Как он устроен? Как он в одном случае сохраняет жидкость горячей, а в другом — ледяной? Все дело в передаче тепла и в том факте, что «холодно» — это отсутствие тепла.

Принцип работы термоса

Чтобы сохранить жидкость горячей нужно как можно дольше препятствовать передаче тепла от содержимого термоса окружающему воздуху. А чтобы сохранить лед в термосе от таяния — нужно наоборот, предотвратить передачу тепла от окружающего термос воздуха льду. Вспомним (или прочитаем), каким образом может передаваться тепло:

  • Теплообмен
  • Излучение
  • Конвекция

Сосуд Дьюара

Вопросом сохранения постоянной температуры содержимого озаботились ученые в конце XIX века - это нужно было для хранения сжатых газов. Сжать газ не было проблемой, но сохранить его в таком виде хоть какое-то время было проблематично.

В 1881 немецкий физик Адольф Вейнхольд стал использовать стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным воздухом из пространства меж стенок для хранения сжатого кислорода, а в 1892 году другой известный ученый Джеймс Дьюар улучшил конструкцию, изготовив этот контейнер в виде колбы с узким горлом и покрыв внутреннюю часть тонким слоем серебра. Для удобства эта колба подвешивалась на пружинах в металлическом кожухе. Это устройство было названо «сосуд Дьюара», и оно до сих пор используется в химических лабораториях всего мира.

Как это часто бывает, наука и бизнес идут разными дорогами, и трудами Вейнхольда и Дьюара воспользовался Рейнольд Бергер - он сделал сосуд компактным и дополнил герметичной пробкой и крышкой-стаканчиком. Новый продукт он зарегистрировал в 1904 году под торговой маркой «Термос», и спустя несколько лет это название стало нарицательным, а компания «Термос» существует и сегодня.

Чтобы сделать хороший термос, нужно как можно сильнее уменьшить передачу тепла каждым из способов.

Чтобы уменьшить потери тепла через теплообмен, попробуем взять обычную чашку с крышечкой и обмотать ее теплоизолирующим материалом, например, полимерной пеной, которая используется в строительстве. Это позволит нам избавиться от большей части передачи тепла: пластик плохой проводник тепла, поэтому теплообмен небольшой. Воздух, заключенный в пузырьках пластика еще лучший изолятор, а так как каждый пузырек герметичен, и воздух заперт в нем, то уменьшается теплопередача за счет конвекции. Но такая конструкция не очень удобная, да и потери тепла все равно достаточно велики — в таком термосе чай остынет через полчаса.

Какой материал проводит тепло хуже всего? Правильный ответ — никакой. А именно отсутствие материала. Что если окружить нашу чашку вакуумом? Тогда теплообмен будет отсутствовать. Конвекция — тоже. А если покрыть чашку отражающей пленкой, как зеркало — излучение также будет отражаться. Вот он, идеальный термос. Но не все так просто — теперь это нужно сконструировать в удобное устройство.

Конструкция термоса

Конструкция термоса

Конструкция термоса

Чтобы поместить термос в вакуум, нужно сначала поместить куда-то сам вакуум, кроме того нужно предусмотреть в термосе отверстие, через которое можно было бы наливать жидкость. Если сделать наш термос пластиковым (или стеклянным) с двойными стенками и узким горлышком, а из пространства между стенками откачать воздух — мы получим как раз то, что было нужно. Пластик можно сделать зеркальным, чтобы предотвратить инфракрасное излучение. Остался всего один момент: на стенки термоса действует давление, а чтобы они меньше передавали тепло — они должны быть как можно тоньше. Это приводит к тому, что они становятся очень хрупкими, поэтому обычно колбу прячут в прочный корпус из алюминия или пластика.

Так, если мы сделали такой хороший термос — почему вода в нем все-таки остывает через несколько часов, а не остается горячей всегда? Здесь дело в том, что, во-первых, мы не смогли полностью изолировать объем — у нас осталось горлышко, которое не изолировано сверху никак. Кроме того, как бы хорошо мы не откачивали воздух, абсолютный вакуум создать нельзя. То же самое и с зеркальной поверхностью - она не сможет отражать все лучи, даже хорошее новое зеркало отражает не боле 90% лучей, а старое, покрытое пылью, — не больше 70%.