Сосуд дьюара и термос
В наши дни сосуды Дьюара эксплуатируют повсеместно: в промышленности, медицине, ветеринарии, косметологии, при организации разнообразных шоу. Они предназначены для хранения криогенных жидкостей, а также для транспортировки биоматериалов при постоянной температуре.
Рассказываем, что собой представляет сосуд Дьюара, кем и когда он был изобретен и какую пользу приносит в разных сферах применения.
История создания
Устройство первого сосуда было разработано в конце 19 века шотландским физиком – сэром Джеймсом Дьюаром. Отсюда и название изделия. Именно шотландцу принадлежит идея колбы с двойными стенками и узкой горловиной, которая обеспечивает постоянство температуры помещенных внутрь веществ. Аналогичная конструкция используется и сегодня.
В этом достаточно нехитром устройстве ученому удавалось сохранять жидкий и твердый водород.
Первыми, кто осознали истинную ценность емкостей и наладили производство для их продажи, стали учредители немецкой компании «Термос». Именно они в 1907 году запатентовали «Сосуд с двойными стенками и вакуумом между ними». Стоит отметить, что фамилия Дьюара в патенте даже не упоминается.
Современный сосуд Дьюара: что это за «зверь»
На самом деле, большинство людей знакомы с подобными емкостями еще с детства, ведь бытовым аналогом промышленного сосуда Дьюара является обычный термос. Устройство промышленного сосуда и бытового термоса очень схожи, как и их назначение. Обе емкости призваны сохранять температуру помещенных в них веществ. Конструкция их проста и гениальна — «сосуд в сосуде».
Принцип работы сосуда Дьюара прост: температура сохраняется за счет хорошей теплоизоляции и протекающих химических процессов, например, кипения вещества. Этот нюанс выгодно отличает данные емкости от ближайших конкурентов — термостатов и криостатов.
Примечательно, что сосуд Дьюара способен только сохранять температуру, поэтому перед размещением в нем определенного вещества, последнее нужно нагреть или охладить до требуемой температуры.
Где и для чего используют изобретение Дьюара сегодня
Жидкий азот применяют во многих сферах от косметологии до промышленности, везде, где требуется хранение криогенной жидкости.
Основные сферы использования емкостей:
- Медицина и ветеринария. Жидкий азот необходим для транспортировки биологических материалов. Для этих целей выбирают сосуды, укомплектованные специальными канистрами.
- Косметология. Сегодня азот используют для проведения криопроцедур, удаления папиллом и бородавок. Для его хранения в косметических кабинетах используют сосуды Дьюара.
- Кулинария.
- Криогенные шоу и прочие развлекательные мероприятия.
- Промышленность, автомастерские. Здесь преимущество отдают моделям с широкой горловиной, поскольку в них удобнее погружать отдельные инструменты или детали.
Сегодня на рынке представлено множество сосудов, поэтому выбор не всегда прост. Главными критериями выбора выступают вместительность сосуда, диаметр горловины и время испарения жидкого азота.
Рекомендуем
Транспортировка, заправка и хранение сосудов Дьюара
Планируете использовать сосуд Дьюара? Тогда рекомендуем вам изучить, как его правильно хранить и транспортировать. Также не лишними будут знания правил заправки и технике безопасности при работе с жидким азотом.
Устройство сосудов Дьюара
Современные сосуды Дьюара несколько отличаются от своих предшественников. Если первые сосуды Дьюара изготавливались из стекла, то сейчас их производят из алюминия или нержавеющей стали. Важную роль при выборе материала играют прочность и вес.
Сосуды Дьюара серии СК
Сосуды для криогенных жидкостей серии СК производятся в Украине. Емкости не укомплектованы контейнерами для биологических материалов, поэтому основное их назначение — хранение и транспортировка жидкого азота и других криогенных жидкостей.
Источник
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 июля 2020; проверки требуют 2 правки.
Сосу́д Дью́ара — сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре.
Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить.
Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счёт хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение).
В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.
История изобретения[править | править код]
Первый контейнер для хранения сжиженных газов был разработан в 1881 году немецким физиком А. Ф. Вейнхольдом. Он представлял собой стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным из межстеночного пространства воздухом и был использован физиками К. Ольшевским и С. Врублёвским для хранения жидкого кислорода[1][2].
Шотландский физик и химик сэр Джеймс Дьюар в 1892 году усовершенствовал стеклянный ящик Вейнхольда, превратив его в двустенную колбу с узким горлом для уменьшения испарения жидкости. Межстеночное пространство посеребрено и из него откачан воздух. Свой сосуд Дьюар впервые продемонстрировал перед аудиторией на публичной лекции 20 января 1893 года[3]. Всю эту хрупкую конструкцию Дьюар подвесил на пружинах в металлическом кожухе. Благодаря своей разработке Дьюар первым смог получить и сохранить жидкий (1898)[4] и даже пытался получить твёрдый (1899) водород[5].
Первые сосуды Дьюара для коммерческого использования были произведены в 1904 году, когда была основана немецкая фирма Thermos GmbH по производству термосов.
Устройство[править | править код]
Оригинальный сосуд Дьюара представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух.
Для уменьшения потерь тепла через излучение обе внутренние поверхности колбы были покрыты отражающим слоем. Дьюар использовал в качестве отражающего покрытия серебро.
Подобная конструкция применяется и в современных дешёвых бытовых термосах.
Современные конструкции[править | править код]
Схема сосуда Дьюара
1 — подставка; 2 — вакуумированая полость; 3 — теплоизоляция; 4 — адсорбент; 5 — наружный сосуд; 6 — внутренний сосуд; 7 — горловина; 8 — крышка; 9 — трубка для вакуумирования
Современные сосуды Дьюара конструктивно выполнены несколько иначе.
Внутренний и внешний сосуды делают из алюминия или нержавеющей стали. Теплопроводность материала не важна, а прочность и вес играют большую роль.
Горловина соединяет внутренний и внешний сосуды. В дьюарах объёмом до 50 л внутренний сосуд крепится только на горловине и она испытывает большие механические нагрузки. Также к ней предъявляются высокие требования по теплопроводности. То есть горловина должна быть прочной, но тонкой. В обычных сосудах горловину делают из нержавеющей стали. В высококачественных сосудах Дьюара горловина изготовляется из прочного армированного пластика. При этом возникает проблема вакуумноплотного крепления металла и пластика.
Снаружи внутренний сосуд покрывается адсорбентом, который при охлаждении поглощает остаточные газы из вакуумной полости.
Для уменьшения теплопотерь внутренний сосуд покрывают дополнительной теплоизоляцией.
К крышке дьюара, для снижения конвекционной теплопередачи прикрепляют пенопластовый цилиндр, который негерметично закрывает горловину.
Вакуумную полость откачивают до давления 10−2 Па. От серебрения внутренних поверхностей отказались и заменили его полировкой.
Современные сосуды Дьюара имеют низкие потери от испарения: от 1,5 % в сутки для больших ёмкостей до 5 % в сутки для малых объёмов.
Гелиевые сосуды Дьюара[править | править код]
Схема сосуда Дьюара для гелия
1 — горловина для заливки азота; 2 — головка со штуцерами; 3 — горловина гелиевой ёмкости; 4 — ёмкость для жидкого азота; 5 — тепловые экраны; 6 — ёмкость для жидкого гелия; 7 — теплоизоляция; 8 — адсорбент
Гелий имеет очень маленькую теплоту испарения. Поэтому для снижения теплопотерь в гелиевых дьюарах применяются тепловые экраны, охлаждаемые жидким азотом. Экраны изготавливают из материалов, хорошо проводящих тепло (медь). Такой сосуд Дьюара имеет две горловины: для жидких азота и гелия. Гелиевая горловина оборудована специальными штуцерами для газосброса, подсоединения сифона, манометра, клапана. Гелиевый дьюар нельзя наклонять, он всегда должен находиться в вертикальном положении.
С развитием техники многослойной экранно-вакуумной термоизоляции на рынке появились предложения гелиевых сосудов Дьюара, в которых не используется охлаждение жидким азотом. По утверждениям производителей, в таких сосудах Дьюара потери на испарение составляют 1 % в день для ёмкостей на 100 л.
Азот испаряется из сосуда Дьюара
Назначение и применение[править | править код]
- Для сохранения температуры еды и напитков используются бытовые сосуды Дьюара — термосы.
- В лабораториях и в промышленности сосуд Дьюара используется для хранения криожидкостей, чаще всего жидкого азота.
- В медицине и ветеринарии специальные сосуды Дьюара используются для длительного хранения биологических материалов при низких температурах.
- В геофизике в сосуды Дьюара помещают электронные компоненты и кристаллы при работах в горячих скважинах (от 400К).
- В космонавтике. Детектор прибора NICMOS, установленного на космический телескоп Хаббл, был помещён в сосуд Дьюара с использованием в качестве хладагента азота в твёрдом состоянии.
См. также[править | править код]
- Термос
- Криогеника
- Криостат
Примечания[править | править код]
- ↑ Хранить тепло и холод: Термос, Популярная механика — 2005, № 3.
- ↑ А. ВАСИЛЬЕВ, Университеты Польши, КВАНТ, 2005, № 4
- ↑ К. Мендельсон. На пути к абсолютному нулю. — Рипол Классик. — С. 52. — ISBN 9785458327268.
- ↑ Classic Kit: Dewar’s flask, Chemistry World, August 2008, Vol 5, No 8
- ↑ Annales de chimie et de physique
Источники[править | править код]
- Burger, R., U.S. Patent 872 795, «Double walled vessel with a space for a vacuum between the walls», December 3, 1907.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.
Ссылки[править | править код]
- Технические характеристики сосудов Дьюара для хранения азота
- Техника безопасности при работе с жидким азотом и Сосудами Дьюара
- Взрыв сосуда Дьюара при наливании жидкого азота (нарушение ТБ)
Источник
СОСУД ДЬЮАРА И ОГРОМНЫЙ ЛЕТАЮЩИЙ ТЕРМОС
- Авторы
- Руководители
- Файлы работы
- Наградные документы
Кондратенко А.Р. 1
1ГБОУ города Москвы «Школа №1270 Вектор»
Кондратенко Р.В. 1
1ФГБНУ «Научный центр неврологии»
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
Введение
Однажды осенью я была со своим классом на олимпиаде «Музеи, парки, усадьбы Москвы». Было холодно и мы устроили пикник с горячим чаем из термосов. Перед этим мы гуляли несколько часов, но чай при этом все равно был очень горячий. Мне стало очень интересно, как же работает термос?
В интернете я нашла информацию о том, что термос изобрел Джеймс Дьюар (рис. 1.)
Рис. 1. Джеймс Дьюар
Джеймс Дьюар — это шотландский физик и химик, который в 1881 году изобрел сосуд Дьюара, или в быту — термос. Благодаря этому изобретению он смог получить очень холодный жидкий водород! [1].
Цель работы:
1. Сравнить работу термоса и обычной банки.
2. Разобраться как работает термос.
3. Найти примеры термосов в естественной природе.
Основная часть
Опыт с термосом
Подготовка к эксперименту
Рис. 2. Предметы для эксперимента.
Для проведения эксперимента нам понадобились — термос, алюминиевая банка, чайник с кипятком, специальный градусник с диапазоном измерений от -10 до 110 градусов по Цельсию, секундомер, лабораторный журнал, молоток с керном, микро-дрель и пила. Данные предметы изображены на рис. 2.
Мы налили кипяток из чайника в термос и стали измерять температуру в термосе каждые 30 минут, как изображено на рис. 3.
Рис. 3. Измерение температуры воды в термосе.
Все измерения мы заносили в лабораторный журнал (рис. 4). В начале у воды была температура 95 градусов. За 12 часов температура упала до 50 градусов. Вода остывала очень медленно!
Рис. 4. Протокол эксперимента по измерению температуры в термосе.
Опыт с алюминиевой банкой
Для того, что бы сравнить, как будет вести себя вода не в термосе, а в другой посуде, мы взяли алюминиевую банку и перелили кипяток из термоса в неё, что бы у воды был тот же объём (рис. 5.)
Рис. 5. Подготовка эксперимента по измерению температуры воды в алюминиевой банке.
Затем мы провели аналогичные измерения и занесли данные в наш лабораторный журнал (рис 6).
Рис. 6. Протокол эксперимента по измерению температуры в алюминиевой банке.
В этом случае температура воды упала до 50 градусов всего за один час. Это очень быстро! Разница с термосом составила 11 часов!
3. Испорченный термос
Что бы понять, откуда берется такая разница, мы решили немного «сломать» наш термос. Для этого мы сняли его крышку с донышка (рис. 7).
Рис. 7. Снятие крышки с донышка термоса.
Молотком и керном сделали углубление, что бы сверло не соскальзывало, (рис. 8) и начали сверлить отверстие в корпусе термоса.
Рис. 8. Подготовка термоса к просверливанию отверстия
Когда мы просверлили отверстие (рис. 9.), то раздался звук, входящего в термос воздуха.
Рис. 9. Просверленное отверстие в термосе.
Далее мы повторили наш эксперимент. В этом случае температура воды опустилась до 50 градусов всего за три часа (рис. 10).
Рис. 10. Протокол эксперимента по измерению температуры в испорченном термосе.
Наш термос стал похож на обычную алюминиевую банку! Нам стало интересно, как же он устроен, и мы решили его распилить!
4. Устройство термоса
После того как мы распилили термос, мы увидели, что он состоит из двух сосудов (рис. 11).
Рис. 11. Устройство термоса.
Один — внутренний, а другой – внешний, который мы видим. Между сосудами находится пространство, в котором находится вакуум. Именно вакуум и не даёт холодному стать теплым, а горячему остыть потому, что вакуум это пустота и через него тепло или холод не проходят! Так же у внутреннего сосуда зеркальные стенки, которые отражают тепловое излучение горячей жидкости.
5. Сравнение динамики остывания разных сосудов
Для того, что бы наглядно представить разницу во времени остывания термоса, алюминиевой банки и испорченного термоса, наши данные из лабораторного журнала мы занесли в электронные таблицы в компьютере. По этим данным мы построили график зависимости температуры от времени в наших трех экспериментальных сосудах. Он представлен на рис. 12.
Рис. 12. График зависимости температуры от времени в трех экспериментальных сосудах.
Как видно из данного графика, все три сосуда вначале эксперимента имели практически одинаковую температуру около 95 градусов. Однако, алюминиевая банка остыла до 50 градусов очень быстро, за 1 час. При этом исправный термос остывал до 50 градусов очень долго, а именно целых 12 часов! А испорченный термос был близок к алюминиевой банке и остыл до 50 градусов всего за 2,5 часа. Исходя из этого, можно сделать вывод, что именно наличие вакуума между двумя сосудами в термосе является причиной такого его долгого остывания.
6. Огромный летающий термос
Как вы думаете, какой самый большой термос всегда рядом с нами? Этот термос — наша земля! Взгляните на схематичное изображение земли на рис. 13. [2].
Рис. 13. Строение земли
В самом центре Земли, в земном ядре температура достигает от 4000 до 5000 градусов по Цельсию. Мантия имеет температуру около 3500 градусов. Возле земной коры температура около 1000 градусов (рис. 14) [3].
Рис. 14. Температура разных слоев земли.
Дальше идет очень тонкая, по сравнению с самой Землей литосфера и земная кора, на поверхности которой температура совсем не зависит от того, что внутри Земли! Таким образом, литосфера и земная кора хранят температуру внутри Земли, и является стенками огромного летающего термоса!
Заключение
1. Мы исследовали работу термоса и сравнили его с обычной алюминиевой банкой.
2. Мы изучили внутреннее устройство термоса и установили, что вакуум является необходимым условием сохранения температуры в термосе!
3. Мы нашли пример «естественного» термоса в нашей солнечной системе!
Список использованных источников и литературы
Ресурс о Джеймсе Дьюаре https://ru.wikipedia.org/wiki/Дьюар,_Джеймс
Ресурс о строении Земли https://mypresentation.ru/presentation/mesto_zemli_v_kosmose__prezentaciya_po_astronomii_
Ресурс о температуре внутри Земли https://kopilkaurokov.ru/geografiya/uroki/vnutriennieie-stroieniie-ziemli-litosfiera
Просмотров работы: 164
Источник
Что мы делаем. Каждая страница проходит через несколько сотен совершенствующих техник. Совершенно та же Википедия. Только лучше.
Из Википедии — свободной энциклопедии
Сосу́д Дью́ара — сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре.
Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить.
Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счёт хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение).
В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.
История изобретения
Первый контейнер для хранения сжиженных газов был разработан в 1881 году немецким физиком А. Ф. Вейнхольдом. Он представлял собой стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным из межстеночного пространства воздухом и был использован физиками К. Ольшевским и С. Врублёвским для хранения жидкого кислорода[1][2].
Шотландский физик и химик сэр Джеймс Дьюар в 1892 году усовершенствовал стеклянный ящик Вейнхольда, превратив его в двустенную колбу с узким горлом для уменьшения испарения жидкости. Межстеночное пространство посеребрено и из него откачан воздух. Свой сосуд Дьюар впервые продемонстрировал перед аудиторией на публичной лекции 20 января 1893 года[3]. Всю эту хрупкую конструкцию Дьюар подвесил на пружинах в металлическом кожухе. Благодаря своей разработке Дьюар первым смог получить и сохранить жидкий (1898)[4] и даже пытался получить твёрдый (1899) водород[5].
Первые сосуды Дьюара для коммерческого использования были произведены в 1904 году, когда была основана немецкая фирма Thermos GmbH по производству термосов.
Устройство
Оригинальный сосуд Дьюара представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух.
Для уменьшения потерь тепла через излучение обе внутренние поверхности колбы были покрыты отражающим слоем. Дьюар использовал в качестве отражающего покрытия серебро.
Подобная конструкция применяется и в современных дешёвых бытовых термосах.
Современные конструкции
Схема сосуда Дьюара
1 — подставка; 2 — вакуумированая полость; 3 — теплоизоляция; 4 — адсорбент; 5 — наружный сосуд; 6 — внутренний сосуд; 7 — горловина; 8 — крышка; 9 — трубка для вакуумирования
Современные сосуды Дьюара конструктивно выполнены несколько иначе.
Внутренний и внешний сосуды делают из алюминия или нержавеющей стали. Теплопроводность материала не важна, а прочность и вес играют большую роль.
Горловина соединяет внутренний и внешний сосуды. В дьюарах объёмом до 50 л внутренний сосуд крепится только на горловине и она испытывает большие механические нагрузки. Также к ней предъявляются высокие требования по теплопроводности. То есть горловина должна быть прочной, но тонкой. В обычных сосудах горловину делают из нержавеющей стали. В высококачественных сосудах Дьюара горловина изготовляется из прочного армированного пластика. При этом возникает проблема вакуумноплотного крепления металла и пластика.
Снаружи внутренний сосуд покрывается адсорбентом, который при охлаждении поглощает остаточные газы из вакуумной полости.
Для уменьшения теплопотерь внутренний сосуд покрывают дополнительной теплоизоляцией.
К крышке дьюара, для снижения конвекционной теплопередачи прикрепляют пенопластовый цилиндр, который негерметично закрывает горловину.
Вакуумную полость откачивают до давления 10−2 Па. От серебрения внутренних поверхностей отказались и заменили его полировкой.
Современные сосуды Дьюара имеют низкие потери от испарения: от 1,5 % в сутки для больших ёмкостей до 5 % в сутки для малых объёмов.
Гелиевые сосуды Дьюара
Схема сосуда Дьюара для гелия
1 — горловина для заливки азота; 2 — головка со штуцерами; 3 — горловина гелиевой ёмкости; 4 — ёмкость для жидкого азота; 5 — тепловые экраны; 6 — ёмкость для жидкого гелия; 7 — теплоизоляция; 8 — адсорбент
Гелий имеет очень маленькую теплоту испарения. Поэтому для снижения теплопотерь в гелиевых дьюарах применяются тепловые экраны, охлаждаемые жидким азотом. Экраны изготавливают из материалов, хорошо проводящих тепло (медь). Такой сосуд Дьюара имеет две горловины: для жидких азота и гелия. Гелиевая горловина оборудована специальными штуцерами для газосброса, подсоединения сифона, манометра, клапана. Гелиевый дьюар нельзя наклонять, он всегда должен находиться в вертикальном положении.
С развитием техники многослойной экранно-вакуумной термоизоляции на рынке появились предложения гелиевых сосудов Дьюара, в которых не используется охлаждение жидким азотом. По утверждениям производителей, в таких сосудах Дьюара потери на испарение составляют 1 % в день для ёмкостей на 100 л.
Азот испаряется из сосуда Дьюара
Сосуд Дьюара
Назначение и применение
- Для сохранения температуры еды и напитков используются бытовые сосуды Дьюара — термосы.
- В лабораториях и в промышленности сосуд Дьюара используется для хранения криожидкостей, чаще всего жидкого азота.
- В медицине и ветеринарии специальные сосуды Дьюара используются для длительного хранения биологических материалов при низких температурах.
- В геофизике в сосуды Дьюара помещают электронные компоненты и кристаллы при работах в горячих скважинах (от 400К).
- В космонавтике. Детектор прибора NICMOS, установленного на космический телескоп Хаббл, был помещён в сосуд Дьюара с использованием в качестве хладагента азота в твёрдом состоянии.
См. также
- Термос
- Криогеника
- Криостат
Примечания
- ↑ Хранить тепло и холод: Термос, Популярная механика — 2005, № 3.
- ↑ А. ВАСИЛЬЕВ, Университеты Польши, КВАНТ, 2005, № 4
- ↑ К. Мендельсон. На пути к абсолютному нулю. — Рипол Классик. — С. 52. — ISBN 9785458327268.
- ↑ Classic Kit: Dewar’s flask, Chemistry World, August 2008, Vol 5, No 8
- ↑ Annales de chimie et de physique
Источники
- Burger, R., U.S. Patent 872 795, «Double walled vessel with a space for a vacuum between the walls», December 3, 1907.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.
Ссылки
- Технические характеристики сосудов Дьюара для хранения азота
- Техника безопасности при работе с жидким азотом и Сосудами Дьюара
- Взрыв сосуда Дьюара при наливании жидкого азота (нарушение ТБ)
Эта страница в последний раз была отредактирована 13 сентября 2020 в 23:48.
Источник