За счет чего в термосе удается уменьшить теплообмен
Как термос держит температуру
Люди пользуются термосом уже более ста лет, но мало кто интересовался, в чем секрет этого сосуда? Почему вода или еда так долго остаются горячими в нем? Неужели там есть секретный механизм, который подогревает содержимое? Все намного проще. Здесь действуют физические законы, которые обеспечивают минимальную теплопроводность и максимальную теплоизоляцию.
5% скидка Для читателей нашего блога
скидка 5% на весь
ассортимент Ваш промокод: BLOG Смотреть все термосы
Принцип работы термоса
Максимально уменьшить теплопередачу – такая задача стояла у изобретателей этого сосуда. На чем базируется это качество:
Излучение. Эта сила не видна визуально, но ощутима тактильно. Любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает тепло. Чем выше температура, тем интенсивней лучи тепловой энергии. Наверное, все знают, что светлые и блестящие поверхности отражают тепло, а черные – наоборот притягивают.
Конвекция. По этому принципу работают комнатные радиаторы, которые нагревают воздух в помещении.
Теплопроводность. Например, металл нагревается быстрее, чем дерево.
Все эти три силы необходимо свести к минимуму для уменьшения теплопередачи. Первый аналог термоса был создан еще в девятнадцатом веке, когда Джеймс Дьюар изобрел одноименный сосуд. Его состав почти не изменился с тех пор. В основании лежит колба, изготовленная из стекла или стали, которая имеет зеркальную поверхность. Это усиливает теплосберагающие свойства. Также есть металлический корпус.
Между корпусом и колбой находится вакуум, который нивелирует теплопередачу. Закупоривается сосуд специальной пробкой. Сегодня она может быть винтовой, обычной или с помпой. А в те времена ограничивались обычной затычкой из пробкового дерева. Она предотвращает конвекцию. Сегодня некоторые производители наполняют пространство между колбой и корпусом инертным газом, но этот метод менее эффективен.
Чтобы термос прослужил долго и хорошо держал температуру, необходимо:
перед наполнением его жидкостью сначала прогреть стенки колбы;
не бросать термос даже на мягкую поверхность и даже металлический – любое механическое воздействие может привести к разгерметизации изделия;
не открывать термос слишком часто, ведь в этом случае происходит конвекция, и темпера тура внутри снижается;
заполнять изделие до верха, оставляя минимум свободного пространства.
Стоит помнить, что место слитой воды заполняет воздух. А это значит, что чем меньше жидкости останется в колбе, тем холоднее она будет.
5% скидка Для читателей нашего блога
скидка 5% на весь
ассортимент Ваш промокод: BLOG Смотреть все термосы
Термосы с высокими теплоизоляционными свойствами
Какой из термосов на рынке сегодня способен дольше сохранить содержимое горячим или холодным? Торговая марка «Стенли» уже более ста лет производит качественные изделия, которые позволяют поддерживать необходимую температуру пищи или напитков на протяжении 32 часов. Сосуды изготавливаются из высококачественной нержавеющей стали и имеют пожизненную гарантию. Двойной вакуумный слой позволяет получать такие высокие показатели. Производители предлагают не только обычные туристические термосы для кофе или чая, но также и объемные пищевые сосуды, термокружки и специальные контейнеры для пищи. Дизайн продукции отличается лаконичностью и эргономичностью. На сайте можно подобрать оптимальную модель продукции под конкретные запросы.
Изучение свойств термоса
Дата публикации: 05.05.2019 2019-05-05
Статья просмотрена: 1940 раз
Библиографическое описание:
Надеждин, Б. Б. Изучение свойств термоса / Б. Б. Надеждин, Т. А. Аронова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2019. — № 5 (25). — С. 45-48. — URL: https://moluch.ru/young/archive/25/1541/ (дата обращения: 29.12.2021).
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.
Как работает термос и каких видов бывает
Приветствую вас, мои дорогие читатели! В прошлой статье мы говорили о том, какой лучше термос для похода взять и что можно в нем хранить. Сегодня я хочу рассказать о принципе функционирования термоса, из каких частей он состоит и какой у него принцип действия.
Эта полезная информация непременно пригодится всем, кто планирует длительный поход и собирается обзавестись качественной и универсальной термокружкой, которая сохранит кофе или чай горячим зимой, а лимонад прохладным знойным летом.
Какие бывают термосы
Бытовое изделие с хорошей теплоизоляцией, предназначенное для хранения (до суток) продуктов холодными или горячими называется термосом. Такая вещь просто незаменима в походе, полевых условиях, на рыбалке или охоте.
Современный рынок предлагает большое разнообразие таких изделий, которые отличаются по объему, назначению, сроку хранения продуктов, напитков и др.:
Составляющие элементы термоса
Устройство термоса следующее.
И чего изготавливают колбы
А теперь поговорим о том, из чего же изготавливают колбы. Ведь от вида материала зависит длительность хранения температуры продуктов или жидкостей.
Принцип работы
Ну и напоследок кратко расскажу вам какой же принцип действия термоса. По закону физики работа всех термоемкостей основана на трех принципах: конвекция, теплопроводность и тепловое излучение.
Главное назначение конструкции – минимизировать теплообмен продуктов в термокружке с внешней средой. Плотно закупоренная в термосе еда или жидкость контактирует только с внутренним слоем колбы, поэтому конвекция не возникает.
Двухслойная колба не пропускают тепло, поскольку между ее стенками отсутствует его проводник.
Заключение
Обладая информацией о том, из чего состоит термос, каких видов бывает, вы сможете сделать правильный выбор и приобрести качественный товар. Хорошее изделие обеспечит вам комфортное время провождения в любом походе, независимо от продолжительности и времени года.
Подписывайтесь на новинки в моем блоге и не забудьте поделиться этой статьей с друзьями в соцсетях.
1.1 Изобретение термоса
Термос – вид посуды, активно применяемой в быту с целью поддержания температуры хранящихся в нём продуктов. Чаще всего он используется в случаях, когда нужно сохранять напиток или блюдо горячим в течении длительного времени. Хороший, качественно выполненный термос – незаменимая вещь в походах и путешествиях: находящийся в нём чай, вода или бульон может удерживать температуру не менее 60 градусов до суток (время и температура зависят от ёмкости сосуда и его разновидности).
Необходимость поддерживать в замкнутом сосуде независимую от внешней среды температуру появилась во второй половине XIX века. В это время учёные-физики проводили опыты с сжиженными газами, входящими в состав атмосферы (азота, кислорода и водорода). Однако сохранить полученные вещества в необходимом состоянии оказалось достаточно непросто, они крайне быстро улетучивались. Проблему отчасти смог решить физик из Германии А. Ф. Вейнхольд в 1881 году. Он разработал контейнер из стекла со сдвоенными стенками, внутри него был полностью откачан воздух. Ввиду удаления воздуха между стенками, суженное пространство уменьшало испарение.
Спустя 11 лет 1892 году физик и химик из Шотландии Джеймс Дьюар (рисунок 1) улучшил изобретение своего немецкого коллеги. Форма контейнера сменилась на колбу с узким верхним проемом и парой стенок; это предотвращало быстрое испарение полученных газов. Для лучшей изоляции сосуд изнутри был покрыт тонким серебряным слоем. Кроме того, от внутренней поверхности, напоминающей зеркало, хорошо отражалось тепловое излучение. Изделие подвешивалась при помощи пружин в специальном кожухе из металла. С помощью своего изобретения Дьюар получил и даже смог в течение определённого времени сохранить водород в жидком и твёрдом состоянии. Однако ни он, ни Вейнхольд не стали патентовать уникальный контейнер: они не считали, что их изобретения смогут принести кому-либо ощутимую прибыль.
Рисунок 1 – Джеймс Дьюар
В 1903 году Рейнольду Бургеру (рисунок 2), немецкому производителю стекла, пришла в голову мысль усовершенствовать сосуд Дьюара, чтобы использовать его не только в научных целях, но и в бытовых. Колбу поместили в металлический корпус, для большей герметичности добавили пробку, закрывающую сосуд. Конструкцию дополнили удобной крышкой, которой отводилась роль небольшого стакана. Новшеством стала внутренняя система, при помощи которой колба поддерживалась изнутри. До этого момента колба закреплялась лишь у горлышка всей конструкции, из-за чего являлась достаточно хрупким изделием. Осенью 1903 года Р. Бургер запатентовал своё изобретение.
На следующий год им была основана фирма, которая занималась производством нового изделия – «вакуумной фляжки». Это название не могло претендовать на успех, поэтому вскоре объявили конкурс на самое интересное имя для новинки. Самым звучным вариантом оказалось Thermos (в переводе с греческого Therme означает «горячий»), придуманное жителем Мюнхена, весной 1904 года новая марка Thermos стала использоваться в коммерческих целях.
Через 4 года фирма Thermos GmbH продала своё право на производство термоса трём компаниям, расположенным в Америке, Канаде и Англии. Оттуда новые герметичные контейнеры для хранения жидкостей и поддержания их постоянной температуры стали постепенно распространяться по всему миру.
1.2 Конструкция термоса и назначение
Более чем за век изобретение Дьюара и Бургера неоднократно подвергалось изменениям. К настоящему моменту налажен выпуск термосов различных размеров, начиная с объёма 0,25-1 л (термокружки для хранения напитков) до 40 л (огромные термоконтейнеры для поддержания температуры продуктов). Изменениям подвергся и материал, из которого изготовлялась колба. Помимо традиционных стеклянных сосудов, широко выпускают дешёвые пластиковые и дорогие прочные колбы из металла.
Популярностью пользуются специальные пищевые термосы с широким горлом, а также термосы с судками, с помощью которых можно хранить сразу несколько блюд. Крышка сосуда чаще всего до сих пор используется в качестве походной кружки, однако для домашнего применения были созданы специальные крышки с пневматическим насосом. С его помощью можно наливать напиток, нажимая на кнопку. Производством термосов занимаются многие зарубежные и российские компании. [1]
Основные элементы конструкции, из которых состоит термос:
1) Корпус изготавливается из нержавеющей стали или пластика. Защищает колбу от повреждений. Металлический корпус более надежный, чем пластиковый, обладает повышенной прочностью. Между корпусом и колбой прокладывается слой теплоизоляции.
2) Колба с двойными стенками – основной элемент в устройстве. Между стенками колбы создается вакуум, практически исключающий обмен хранящегося продукта с окружающей средой, что является определяющим фактором для сохранения температуры продуктов.
3) Пробка и крышка. Закрывают горловину изделия, имеют низкие теплопроводные свойства. Внутри крышки есть воздушная прослойка или пористый теплоизоляционный материал. Крышки бывают обычные винтовые, с клапаном, с помпой. Важно, как устроена крышка, так как через неё происходят основные теплопотери. Наилучшую сохранность обеспечивают крышки без отверстий, поэтому зачастую простые недорогие термосы сохраняют продукты значительно дольше, чем дорогие модели с помпой.
Если посмотреть, как сделан термос в разрезе, то можно увидеть такое строение (рисунок 3): внешняя стенка корпуса; слой теплоизоляции; внешняя стенка колбы; область вакуума; внутренняя стенка колбы и область для продукта [2]
Рисунок 3 – Термос в разрезе
Термос сохраняет холодную температуру в 2-3 раза дольше, чем тепло. Его можно использовать для хранения прохладительных напитков и мороженого. Даже в сильную жару холодная вода будет давать освежающую прохладу спустя 30 часов с момента заправки. Что касается продуктов с высокими температурами, то полное охлаждение в самых качественных колбах происходит за 24 часа. Все зависит от того насколько низкая температура окружающей среды. Нормой считается, если за 6 часов хранения продукт или жидкость остыли на 10-14 градусов. [3]
1.3 Способы теплопередачи в природе
Что требуется учитывать в устройстве термосе, чтобы остановить процесс теплопередачи. Требуется разобраться с видами теплопередачи, чтобы понять, как правильно должен работать термос.
Различают три вида теплопередачи:
Учёные выяснили, что светлые блестящие поверхности отлично отражают тепло, а темные поверхности наоборот, очень хорошо поглощают энергию. Поэтому летом все носят, светлую одежду, а зимой – одежду темных тонов. Эти физические явления тоже использовали в устройстве термосе. Колба термоса покрыта слоем из отражающего зеркального материала. Это помогает ей отражать энергию жидкости, и она меньше остывает. Зеркальная поверхность мало нагревается, поэтому колба остаётся холодной. Например, раньше колбы покрывали слоем серебра. Серебро – блестящий светлый металл. Теперь для изготовления колб всё чаще используют полированную нержавеющую сталь [4].
В зависимости от типа используемой пищи, современные бытовые термосы можно разделить на следующие виды (рисунок 4):
Рисунок 4 – Виды термосов
Термосы для напитков — имеют узкую горловинудиаметром 25-55 мм.
Пищевые термосы – имеют широкую горловину, диаметр которой практически равен диаметру корпуса (от 65—80 мм). Предназначены для хранения первых и вторых блюд, мороженого и других видов пищевых продуктов.
Универсальные термосы отличаются от пищевых термосов только конструкцией пробки, которая имеет дополнительное, более узкое, отверстие для наливания напитков.
Термочашка или Термокружка[5]
2 Исследовательская часть
2.1 Изучение теплоизоляционных свойств
Известно, что термос может сохранять не только тепло, но и холод, поэтому в своих опытах для наглядности я брал снег. Я решил проверить, как влияет на теплоизоляцию и сохранение температуры наличие изолятора и прозрачность поверхности ёмкости. Для этого я подготовил пластиковые контейнеры, фольгу, стаканы, лампу, часы, пенопласт и снег.
Цель исследования: доказать, что воздух плохой проводник тепла.
Я положил в маленькие контейнеры по одинаковому количеству снега и зарыл их крышкой. Один из контейнеров я поставил в большой контейнер, который тоже закрыл. И наблюдал, в каком контейнере снег раньше растает. Снег раньше растаял в одиночном контейнере (рисунок 5), а потом в двойном контейнере, так как тепло из комнаты к снегу не передается.
Значит воздух плохо проводит тепло. Поэтому в термосе есть воздушная прослойка.
2.2 Изготовление термоса
Изучив основные секреты термоса, я принялся за изготовление своего. Для этого я взял пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. У пластиковой я отрезал горлышко, а стеклянную обклеил фольгой. Вставил стеклянную бутылку в пластиковую, заклеив разрез горлышка скотчем. Но у меня возник вопрос, а чем же лучше заполнить промежутки между бутылками.
Я предположил, что в качестве теплоизолятора можно использовать измельчённый пенопласт. Но сначала провёл исследование, хорошо ли пенопласт изолирует тепло или холод. Для этого я взял большие контейнеры и вставил в них маленькие. Промежутки во втором контейнере я заполнил пенопластом, оставив небольшой зазор (рисунок 7 ).
В маленькие контейнеры положил одинаковое количество снега и наблюдал за его таянием. Результаты наблюдений я занес в таблицу 1.