Термос сегодня — незаменимый помощник в быту. Благодаря термосу мы можем пить горячие напитки в дальних поездках или в лесных походах, где нет круглосуточного доступа к горячей воде. Для поддержания своих сил я всегда беру с собой на занятия термос с горячим чаем. Мне стало интересно, почему термос хорошо сохраняет температуру напитка на протяжении всего рабочего дня.
Изучение истории появления термоса, особенностей устройства и принципа работы позволили понять свойства теплопередачи и способы сохранения тепла в термосе. Термос — это бытовой прибор, который поддерживает температуру напитка (или пищи) внутри в течение определенного времени. Появился он в лабораториях ученых. Чтобы проводить эксперименты с сжиженным водородом, удерживая при этом температуру около минус 200 градусов, Джеймс Дьюар в 1892 г. изобрел специальный сосуд, который и стал предшественником термоса. (Рисунок 1.)
Рис. 1. Схема сосуда Дьюара: 1 — подставка; 2 — полость, заполненная вакуумом; 3 — теплоизоляция; 4 — абсорбент; 5 — наружный сосуд; 6 — внутренний сосуд; 7 — горловина; 8 — крышка; 9 — трубка для выкачивания воздуха
Немецкий изобретатель Р.Бергер додумался, что в сосуде Дьюара можно сохранять не только низкую температуру для химических веществ, но и сохранять горячими обычные напитки — чай или кофе. Бергер усовершенствовал сосуд Дьюара, назвал его термосом (по-гречески «thermе» означает «горячий») и в начале XX века получил патент на использование своего изобретения — сосуда с двойными стенками, окружающими безвоздушное пространство.
Первыми оценили пользу термоса летчики, которые в то время летали на самолетах-этажерках с открытой кабиной и сильно мерзли от холода и сильного ветра. В суровых условиях горячий напиток им был жизненно необходим. Вслед за летчиками свойства термоса оценили и рядовые обыватели.
Главная задача термоса — как можно дольше сохранять необходимую температуру внутри сосуда, что определяет особенности его внутреннего устройства. Основной элемент термоса — колба из стекла или нержавеющей стали с двойными стенками, между которыми выкачан воздух. Такое безвоздушное пространство называют «вакуум». Вакуум — пространство, не заполненное ничем, в нем нет даже воздуха, поэтому теплу преодолеть вакуум не просто. Внутренняя зеркальная поверхность колбы помогает теплу оставаться как можно дольше в сосуде. Узкое горлышко, герметичная пробка и плотно закрывающаяся крышка-стаканчик предотвращают выход тепла из сосуда во внешнюю среду. Однако пробка задерживает тепло гораздо хуже, чем вакуум, заключенный между стенками термоса. Через нее и уходит основная часть тепла (или холода) из термоса, и с течением времени температура внутри колбы выравнивается до температуры внешней среды.
Все элементы конструкции термоса задуманы таким образом, чтобы уменьшить известные способы передачи тепла — теплопроводность, конвекцию, теплоизлучение — изнутри термоса. Для изучения принципа работы термоса был проведен ряд экспериментов в бытовых условиях.
Исследование теплопроводности термоса показало, что снижение передачи тепла достигается посредством наличия вакуума между двойными стенками сосуда. В эксперименте сравнивали время охлаждения горячей воды в термосе и пластмассовой бутылке, закрытых пробками. Оказалось, что через полчаса вода в бутылке заметно остыла (на 10 градусов), а в термосе вода осталась горячей. Это произошло из-за того, что находящееся внутри бутылки тепло нагрело стенки и постепенно ушло во внешнее пространство, в результате чего вода остыла. В конструкции термоса предусмотрена специальная теплоизоляция: между двойными стенками внутренней колбы находится вакуум, который является плохим проводником тепла. Именно он не позволяет теплу преодолеть стенки сосуда и выйти наружу.
В ходе изучения процесса конвекции тепла выяснилось, что конвекция в термосе происходит благодаря герметичной пробке и узкой горловине. Для реализации эксперимента в термос и термокружку была налита горячая вода одинаковой температуры. Через полчаса вода в термокружке остыла сильнее, чем в термосе. У термоса из-за герметичной пробки и зауженной горловины практически нет выхода воздуха для переноса тепла, поэтому конвекция не происходит.
Экспериментально подтверждено, что использование отражающих материалов в конструкции термоса влияет на уменьшение теплового излучения. Именно поэтому внутреннюю поверхность колбы термоса покрывают слоем из зеркального материала. Для эксперимента использовались две термокружки, которые накрыли разными крышками — обычной и зеркальной. В каждую кружку наливали горячую воду одинаковой температуры. Выяснилось, что вода дольше остается горячей в термокружке с зеркальной крышкой. Зеркало отражает тепло, не позволяя теплу проникнуть сквозь крышку, и отдает его обратно в сосуд. Отражающие материалы значительно снижают теплопотери, что объясняет их использование для внутренних стенок термоса.
Сохранение свойств теплопередачи в термосе в отношении холодных веществ было также подтверждено экспериментальным способом. По шарику мороженого из морозильной камеры было помещено в термос и в кастрюлю с крышкой. Через 2 часа мороженое в кастрюле растаяло, а в термосе осталось чуть подтаявшим и холодным. Следовательно, в термосе поддерживалась первоначальная температура продукта, несмотря на то, что вещество в термосе было не горячим, а холодным. Окружающее тепло значительно в меньшей степени повлияло на продукт в термосе, чем на продукт в кастрюле. То есть теплопередача в термосе не происходит ни изнутри, ни снаружи термоса.
В ходе опытов с теплопередачей выяснилось, каким образом сохраняется определенная температура в течение некоторого времени внутри сосуда особой конструкции. Чтобы проверить выводы по экспериментальным исследованиям, я создал также собственную модель термоса и предусмотрел в ней все элементы, направленные на уменьшение теплопередачи:
1) для предотвращения теплопроводности — двойные стенки, между которыми вставлена прокладка из шерстяной материи (поскольку создать вакуум в домашних условиях невозможно, я взял вещество с низкой теплопроводностью);
2) для предотвращения конвекции — узкое горлышко и плотную пробку;
3) для отражения излучения тепла — блестящую фольгу, покрывающую внутреннюю поверхность сосуда.
Для создания модели термоса я взял две бутылки разного размера. Поверхность маленькой бутылки обклеил фольгой. Сделал разрез на большой бутылке и вложил туда маленькую. Пространство между бутылками уплотнил шерстяной тканью. Затем разрезанную большую бутылку крепко закрепил скотчем, налил горячей воды, измерил температуру, и закрыл крышкой всю конструкцию. (Рисунок 2)
Рис. 2. Модель термоса
В течение нескольких часов самодельная конструкция удерживала тепло внутри. Это означает, что мои предположения относительно элементов термоса, способствующих низкой теплопередаче, верны.
Благодаря этому исследованию я понял, как устроен сосуд для сохранения тепла — термос. Я изучил также, каким образом тепло или холод можно удерживать. Принципы работы термоса широко используются не только в бытовых предметах, таких, как. сумка-холодильник, бойлер (котел для нагревания воды), но и для научно-технических разработок, например, в устройстве скафандра космонавта.
Литература:
- Хранить тепло и холод: термос. Журнал «Популярная механика», 03/2005.
- Рылёв Ю. И. XX век: энциклопедия. 5000 событий мирового технического прогресса. М.: «Звонница МГ». 2007 г.
- История изобретения термоса (перевод с англ.) http://www.thermosflasche.com/history.html
- Большая книга знаний. М.: «Махаон». 2010 г. стр.409
- Перышкин А. В. «Физика 8 класс». М: «Дрофа», 2018
- Твои первые научные опыты. М.: «Литтерра». 2011г.
