Сосуд чтобы сохранять тепло
Люди в дороге, на работе и отдыхе – и вот наступает время перекусить. Не одной сухомяткой можно довольствоваться, если в вашем распоряжении удобная изотермическая посуда. Тепло и вкус домашней кухни, вот что хранит она внутри персонально для вас.
Чтобы похолоднее, да подольше
Все началось в конце XIX века. Пытливые физики сначала изобрели самый эффективный способ противодействия теплообмену между субстанцией и окружающей средой – сосуд с двойными стенками, из герметичного пространства между которыми выкачан воздух. Желательно до разряженности, превосходящей простой технический вакуум. Нет воздуха, нет молекул, нет теплообмена.
Сначала немецкий физик Адольф Фердинанд Вейнхольд изготовил ящик с двойными стеклянными стенками – вакуумированными и посеребренными до зеркального состояния. А затем сэр Джеймс Дьюар, шотландец и естествоиспытатель, в январе 1893-го на открытой лекции в Лондонском Королевском университете продемонстрировал особые сосуды – как выяснилось, своего имени, поскольку их до сих пор называют не иначе, как сосуд Дьюара.
Первые полнофункциональные сосуды Дьюара, прародители всех современных термосов
И Вейнхольда и Дьюара занимали сжиженные газы. Обоих очень и очень огорчал тот факт, что у них были лишь мгновения на изучение свойств сжиженного водорода или азота. Уж больно быстро те меняли агрегатное состояние в нормальных, человеческих условиях.
Дьюаровский сосуд получился круче – уже не ящик, а колба с двойными стенками. В изотермической вакуумированной ёмкости главные теплопотери (вернее теплообмен между содержимым и окружающей средой) происходят через горловину сосуда. Кстати, запомним этот факт, он нам ещё пригодится. У Дьюара жидкими газы оставались гораздо дольше, чем в вейнхольдских ящиках.
Ну а потом состоялось нашествие термосов. Через десяток лет то ли соратник, то ли подрядчик Дьюара из Германии по имени Рейнольд Бергер взглянул на дьюаровские вакуумированные стеклянные груши непредвзято: почему в них должен быть только адский ядовитый холод? Пусть будут горячий чайный аромат и бодрость кофе, которые можно носить с собой! Вакуум если не полностью останавливает, то жутко замедляет теплообмен. Холодное останется холодным, а горячее горячим.
Воровство у Дьюара с Вейнхольдом? Бесспорно. Но Бергер решил еще массу важных инженерных задач. Шарообразность колбы заменил на продолговатую цилиндричность, обернул все в надежный жестяной кожух. Мало того, приспособил пробку из пробкового же дерева. Помимо герметичности, она и теплоизоляцию хорошую давала. Как раз «незащищенному» горлышку.
Мало того, его «вакуумная фляга» получила навинчивающийся колпачок, который, если перевернуть, оказывался удобным стаканчиком! Ну, не гениально ли? Но куда важнее стаканчика оказалась хитрая система амортизаторов, которая крепила колбу внутри кожуха и берегла от сотрясений. Ещё важнее были амортизаторы и прокладки внутри самой колбы – в межстеночном пространстве. Живучесть бергеровских термосов стала на порядок выше, чем у нежных дьюаровских сосудов.
Патент на первый в мире термос
Всё это Рейнольд Бергер запатентовал – сначала по Европе, а к 1907 году и в США. Дьюар было захотел судиться с ним за якобы упущенную выгоду, но проиграл. Патентное право защитило Бергера. Кстати, а почему термос назвали именно термосом? От термостата? Нет. Термос изначально было именем собственным: Thermos Gmbh – так Бергер назвал свою фирму. Производство развернули в 1904 году. Название же придумал некий мюнхенец, выигравший открытый конкурс: в переводе с греческого «therme» – тепло, горячо. Теплосберегающие защищённые бутыли стали продавать по всему миру, на них красовалось имя компании – «Thermos Gmbh». Ну, все и стали их покупать, пользоваться и называть термосами. А как ещё, чтобы коротко и понятно? Других «термосов» тогда просто не было.
Погорячее, да подушевнее
Прошло 120 лет и термосы прочно обосновались среди людей. Как и ящики Адольфа Фердинанда Вейнхольда (в доработанном, конечно, виде), ныне это изотермические ланчбоксы.
В магазинах Кант можно найти следующие основные виды изотермической посуды:
- термосы для напитков;
- термосы для еды;
- комбинированные термосы, они же универсальные – хоть еду наливай, хоть поре с котлетой закладывай;
- термокружки и термофляжки;
- термобутылки и термостаканы
Есть даже термотарелки, но то вещь специфическая, хотя и довольно популярная в узких кругах. В основном среди тех путешественников, кто обедает у общего котла, но при ветренных условиях. Такая тарелка тоже двойная, тоже вакуумированная и тоже сохраняет температуру пищи. Только относительно недолго, поскольку «горлышко» у неё ну очень широкое. Из плюсов – если в руках держать такую тарелку с горячим блюдом, то на ладонях не будет ожогов. Но ничего разогревать в такой тарелке, как и жарить-кипятить, категорически невозможно. Специфическая вещь, говорили уже.
Миска Tatonka Thermo Bowl
Пиала двухстенная NZ TBDW-550
Вакуумная анатомия
При всём разнообразии, есть у посудных изотермиков общие черты. Вся их анатомия – производная от сосуда Дьюара.
Во-первых, двойные стенки. Есть ещё классические стеклянные, нутро блестит зеркальным блеском. Но в большинстве случаев надёжный современный термос будет из стали, внешняя колба служит одновременно и кожухом. В недорогих термосах, которые скорее служат термоконтейнерами для непродолжительного хранения теплой еды или напитков, двойная колба может быть пластиковой. Такие же используются в недорогих термокружках.
Primus Commuter mug 0,3 Melon Pink
Primus Commuter mug 0.3 Concrete Gray
Primus Commuter mug 0.4 Deep Blue
Primus Commuter mug 0.4 Pale Blue
Впрочем, при производстве изотермиков из пластика вообще обходятся без вакуума: между стенками воздух. Тепло или холод такие сосуды держат недолго, а главный смысл в двойных стенках – не дать горячему напитку обжечь ладони, пока вы наслаждаетесь напитком. Но, как бы то ни было, в изотермиках стенки двойные.
СПРАВКА:
Первым стальную вакуумированную колбу в своих «термосах» применил изобретатель из США Вильям Стенли, владелец Stanley Electric Manufacturing Company, выпускавшей электротрансформаторы. В 1913 году он экспериментировал с вакуумной сваркой и неожиданно сумел сварить вакуумированную фляжку с двойными стенками. К середине 1915-году производство «бутылок Стэнли» было поставлено на поток. К окончанию Второй мировой войны термосы Stanley стали в Северной Америке культовой вещью. Хоть один такой термос был в каждой семье. В связи с долгоживучестью, термосы передавали по наследству. Тот же Thermos сумел обойти патентные ограничения на колбы из стали лишь в 1966 году и принялся активно внедрять. Теперь стальные термосы – стандарт, практически полностью вытеснивший классические термосы с зеркальными стеклянными колбами.
Далее решается задача по теплозащите «горлышка»: пробка может быть вывинчивающейся или предоставлять доступ к содержимому по нажатию кнопки. Может просто защищать от расплескивания. А может вообще отсутствовать. Следующим конструктивным отличием может быть наличие ручки или ремешка для переноски.
Что касается полезного объёма, то он зависит от задач, которые возлагаются на термос. Корреляция следующая: термокружка (0,2- 0,3 л) – для повседневного использования в городе; термос для спортивных занятий (0,3 – 0,5 л); средний термос (0,7 – 1, 2 л) – наиболее универсальное решение как в городе, так и за городом. Обычно это объём самых качественных термосов для туризма и альпинизма. Большой термос (2 л и более) – удобен для кемпинга или дачи. Если он с широким горлом, в него можно взять на пикник первое или второе блюдо, лёд или мороженое. Подходит для вылазок на природу всей семьёй, автотуризма.
Термосы для напитков
Самый распространённый и востребованный вид термоса. Лучше всех сохраняет тепло, поскольку имеет узкую горловину (напомним, через горлышко происходит 40 – 50% всех теплопотерь). Достаточно компактны за счет продолговатой формы.
Термос Stanley Adventure (0,75 л)
Термос Silva Thermos Keep (0.75 л)
Термос Primus TrailBreak (1 л)
Термос Thermos FBB-1000B SBK (1 л)
Термосы для еды
Диаметр горловины практически равен внутреннему диаметру колбы. Удобно закладывать еду и лёд, а если термос небольшой (выпускают разных объёмов – от 0.4 до 2 л), то он отлично иполняет функцию контейнера для еды или миски. Температуру держат хуже. Применение: в быту, ланч на работу, автотуризм, загородные пикники.
Термос с широким горлом Primus TrailBreak Lunch jug (0,55 л)
Термос Stanley Classic Vacum Food (0.5л)
Универсальный термос для еды Thermos JBQ-400-MLK (0,4 л)
Термос Thermos SK3021Р с широким горлом, в комплект входит складная ложка (0,7 л)
Комбинированные термосы
Фактически это те же пищевые термосы (широкая горловина, значительные теплопотери), снабженные универсальными пробками. Можно выкрутить целиком, либо открывать только небольшой канал – в случае использования термоса для перевозки напитка, теплопотери заметно сократятся. Область применения аналогична: в быту и на работе, кемпинг и автотуризм, не экстремальные путешествия.
Термокружки, термостаканы и термофляжки
Термокружки и термобутылки в последние годы получили статус эффектных аксессуаров.
Стальная термокружка Stanley Mountain
Термокружка Primus TrailBreak Vacuum Mug
Эргономичная и элегантная термокружка Salewa THERMO MUG
Двухстенная стальная термобутылка CamelBak Forge Vacuum
Есть огромный выбор форм и цвета, а также всевозможных примочек (в основном, по конструкции клапана). Есть особо тонкие и сверхлегкие модели – удобно брать на пробежки. Позволяют открывать клапан одно рукой и пить прямо из горлышка, без использования стаканчика.
Применение: в дороге на работу и с работы. Удобно налить любимый кофе в «старбаксе» и спуститься в метро. Или удобно во время дальнего автоперегона «заправить» термокружку на автозаправке и выпить уже, вертя руль. В спортзале и на пробежке: тёплый изотоник или прохладный морс с вами весь нагрузочный цикл.
Термобутылка CamelBak Forge Vacuum
Как и в пищевых термосах, у термостаканов широкая горловина. А значит, не стоит рассчитывать, что эти минитермосы будут сутками хранить содержимое горячим. Их задача продержаться, пока кофе в стакане не закончится. Или сохранять тепло 5-6 часов до ближайшего привала или перекуса.
Как правило, узкое донышко рассчитано на постановку в стандартный автомобильный подстаканник. Или в флягодержатель велосипеда.
Проверенные бренды
В магазинах КАНТ представлены изотермические товары лидеров рынка – Thermos, Stanley, Primus, CamelBak, Silva, Salewa.
У каждого из них есть своя специализация. Thermos и Stanley – родоначальники и флагманы термостроения, отличает наивысшее качество и разнообразие. CamelBak и Silva – ориентация на автономные путешествия и беговые тренировки, Salewa и Primus – альпинизм и спортивный туризм. Соответственно, помимо основных моделей, каждый изобретает нечто своё, с «изюминкой», отличающей именно этот бренд.
Для выбора нужно брать термос или термокружку в руки и смотреть: на эргономику, конструкцию пробки, складные ручки, дополнительные стаканчики и т.д.
Автор: Антон Свиридов
Источник
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.) https://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.
Источник