Изучение свойств термоса | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 8 февраля, печатный экземпляр отправим 12 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Отличный выбор методов исследования Самые юные ученые Высокая практическая значимость

Рубрика: Естествознание

Опубликовано в Юный учёный №5 (25) май 2019 г.

Дата публикации: 05.05.2019

Статья просмотрена: 110 раз

Библиографическое описание:

Надеждин Б. Б., Аронова Т. А. Изучение свойств термоса // Юный ученый. — 2019. — №5. — С. 45-48. — URL https://moluch.ru/young/archive/25/1541/ (дата обращения: 28.01.2020).



 

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.)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/d/d8/%D0%A1%D0%BE%D1%81%D1%83%D0%B4_%D0%94%D1%8C%D1%8E%D0%B0%D1%80%D0%B0_CK_%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0.png

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)

D:\ББ\Частное\Школьное\ББ-мл\Термос\Фото Опытов\5 Термос 2.jpeg

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:

 

  1.     Хранить тепло и холод: термос. Журнал «Популярная механика», 03/2005.
  2.     Рылёв Ю. И. XX век: энциклопедия. 5000 событий мирового технического прогресса. М.: «Звонница МГ». 2007 г.
  3.     История изобретения термоса (перевод с англ.) http://www.thermosflasche.com/history.html
  4.     Большая книга знаний. М.: «Махаон». 2010 г. стр.409
  5.     Перышкин А. В. «Физика 8 класс». М: «Дрофа», 2018
  6.     Твои первые научные опыты. М.: «Литтерра». 2011г.
Основные термины (генерируются автоматически): термос, горячая вода, герметичная пробка, сосуд, тепло, безвоздушное пространство, внешняя среда, какой образ, одинаковая температура, узкое горлышко.


Похожие статьи

Секрет термоса | Статья в журнале «Юный ученый»

Он плохой проводник тепла. Поэтому вода в термосе долго не охлаждается.

Я положила в маленькие контейнеры по одинаковому количеству снега и зарыла их крышкой.

Я взяла два одинаковых стакана, один из них обклеила фольгой и натянула на них по воздушному шарику.

Сравнение солнечных коллекторов, используемых в целях...

Температура окружающей среды в течение года является определяющим фактором при выборе типа солнечного коллектора.

Производством плоских коллекторов в России занимается несколько фирм, что обеспечивает защиту от конъектуры внешних воздействий.

Подогрев и вероятная температура нефтепродуктов...

На нефтебазах подогрев нефтепродуктов в резервуарах позволяет решить сложную задачу, связанную с операциями слива и налива продукта. Нефть и нефтепродукты при понижении температуры воздуха становится более вязкими и транспортирование их без подогрева...

Анализ температурного профиля пайки оплавлением

Данная статья посвящена анализу проблем, возникающих при поверхностном монтаже во время пайки оплавлением на каждой стадии процесса. Рассмотрены причины возникновения дефектов паяных соединений, предложены рекомендации по их устранению.

Молекулярная физика в пословицах | Статья в журнале...

Зимой температура окружающего воздуха ниже, чем у человека. Чтобы сохранить свое тепло, человек надевает шубу — меховую одежду.

С возрастанием температуры твердых тел возрастает кинетическая энергия их частиц: они начинают колебаться с большей скоростью.

Математическая модель одежды, предназначенной для...

Разработанная математическая модель системы «человек-одежда-среда» позволяет разработать рациональную конструкцию и подобрать материалы пакета одежды, предназначенной для эксплуатации в жарких климатических условиях по значениям...

Зоологическая гидравлика и теплотехника | Статья в журнале...

Данная статья посвящена изучению законов гидравлики и теплотехники в зоологии на примерах из животного мира. Разобраны и объяснены наиболее показательные приложения данных наук в живой природе. Показано, что в среднем на 14,6 % увеличивается количество правильных...

Викторина «Физика в природе» | Статья в журнале...

Питьевой воды на Земле во многих местах не хватает. Её приходится получать из морской воды — либо выпариванием, либо вымораживанием.

Туман образуется тогда, когда влажный воздух, излучая тепло в пространство, охлаждается, и избыток водяного пара конденсируется.

Задача тепло- и массообмена в пористых оболочках с внутренним...

Нагрев куколки продолжается таким образом до достижения ею температуры кипения воды Ткип. При достижении Ткук=Ткип начинается второй — более сложный этап тепло- и массообмена, так как начинается испарение. Полагая постоянство температуры куколки, так...

Похожие статьи

Секрет термоса | Статья в журнале «Юный ученый»

Он плохой проводник тепла. Поэтому вода в термосе долго не охлаждается.

Я положила в маленькие контейнеры по одинаковому количеству снега и зарыла их крышкой.

Я взяла два одинаковых стакана, один из них обклеила фольгой и натянула на них по воздушному шарику.

Сравнение солнечных коллекторов, используемых в целях...

Температура окружающей среды в течение года является определяющим фактором при выборе типа солнечного коллектора.

Производством плоских коллекторов в России занимается несколько фирм, что обеспечивает защиту от конъектуры внешних воздействий.

Подогрев и вероятная температура нефтепродуктов...

На нефтебазах подогрев нефтепродуктов в резервуарах позволяет решить сложную задачу, связанную с операциями слива и налива продукта. Нефть и нефтепродукты при понижении температуры воздуха становится более вязкими и транспортирование их без подогрева...

Анализ температурного профиля пайки оплавлением

Данная статья посвящена анализу проблем, возникающих при поверхностном монтаже во время пайки оплавлением на каждой стадии процесса. Рассмотрены причины возникновения дефектов паяных соединений, предложены рекомендации по их устранению.

Молекулярная физика в пословицах | Статья в журнале...

Зимой температура окружающего воздуха ниже, чем у человека. Чтобы сохранить свое тепло, человек надевает шубу — меховую одежду.

С возрастанием температуры твердых тел возрастает кинетическая энергия их частиц: они начинают колебаться с большей скоростью.

Математическая модель одежды, предназначенной для...

Разработанная математическая модель системы «человек-одежда-среда» позволяет разработать рациональную конструкцию и подобрать материалы пакета одежды, предназначенной для эксплуатации в жарких климатических условиях по значениям...

Зоологическая гидравлика и теплотехника | Статья в журнале...

Данная статья посвящена изучению законов гидравлики и теплотехники в зоологии на примерах из животного мира. Разобраны и объяснены наиболее показательные приложения данных наук в живой природе. Показано, что в среднем на 14,6 % увеличивается количество правильных...

Викторина «Физика в природе» | Статья в журнале...

Питьевой воды на Земле во многих местах не хватает. Её приходится получать из морской воды — либо выпариванием, либо вымораживанием.

Туман образуется тогда, когда влажный воздух, излучая тепло в пространство, охлаждается, и избыток водяного пара конденсируется.

Задача тепло- и массообмена в пористых оболочках с внутренним...

Нагрев куколки продолжается таким образом до достижения ею температуры кипения воды Ткип. При достижении Ткук=Ткип начинается второй — более сложный этап тепло- и массообмена, так как начинается испарение. Полагая постоянство температуры куколки, так...

Задать вопрос