В термосе поверхность сосуда
Вот вроде вообще в планах не было писать про термосы, даже в самых отдаленных. Но по работе попросили распилить один термос, для наглядного пособия. Распилил и… и заметил странную вещь, точнее отсутствие:
Далее весь вечер – гуглежка, чтение форумов, просмотр видосов (под одним даже увидел комментарий пикабушника @AxGxP), постоянный фейспалм от того, что у людей в голове и что они пишут в интернете. Отдельный фейспалм словил от копирайтеров stanleyrussia, что мое и так не высокое мнение о полезности этой профессии уронило еще ниже.
0. А термос ли?
Термос – это торговая марка, ставшая нарицательным, так же как ксерокс, аспирин, вазелин, нейлон и сотни других. Изначально он назвался “сосуд Дьюара”. В англоязычных источниках термос, в котором мы храним чай называется “vacuum flask”.
1. Как работает термос?
Если налить кипятка в бутылку, закрыть ее пробкой и оставить на столе, то тепло будет уходить тремя путями:
- В виде излучения, как от любого нагретого тела.
- Тепло будет уноситься молекулами воздуха, которые соприкасаются с наружной стенкой.
- Ну и что-то передастся поверхности стола, к которой прикасается дно бутылки.
Термос имеет двойные стенки, полость между которыми откачана до вакуума. Так как меж стенок нет молекул воздуха (или их очень мало), то тепло от внутренней стенки к наружной уже не может переноситься за счет энергии молекул, только излучением. А как бороться с излучением? Поставить зеркало! Внутренние стенки делаются зеркальными, чтобы излученное тепло отражалось назад.
Все остальное – тонкости технологии изготовления и маркетинг, фундаментально в деле хранения жидкостей горячими (или холодными) за сотню лет ничего не изменилось. Да, термос работает в обе стороны, он как сохраняет продукты горячими, так и способен сохранять холод, например жидкий азот хранится в термосах (только термосы для этих дел чаще называют исторически корректно – сосуды Дьюара, в честь изобретателя самого принципа).
2. Почему остывает термос?
В реальном мире все не так гладко и есть тонкости, иначе бы пост пикабушника @spasatel.malibu сравнением термосов не родился Важнейший путь потерь тепла – пробка, влияет ее конструкция и размер. Простая полая пробка будет проводить тепла меньше, чем пробка с механизмом и клапаном. Также термос с большой пробкой в широком горлышке (суповой) будет остывать быстрее термоса с маленькой пробочкой в узком горлышке. Но если создать идеальный термос, сохраняющий тепло очень долго, пользоваться им будет крайне неудобно, поэтому любой термос это баланс между хорошими характеристиками и удобством использования.
Второй путь потерь тепла – через стенки. Чем глубже вакуум – тем лучше, но получение хорошего вакуума – процесс долгий, энергозатратный и от этого дорогой. Каждый производитель решает для себя сам, какое остаточное давление (измеряемое порой в миллионных долях от атмосферного) является приемлемым.
3. Так чего ты не нашел в термосе на фото?
Процесс производства термосов с стальной колбой не сложный – из полосы металла сваривается труба, затем она деформируется до нужной дизайнеру формы. Выдавливается резьба, посадочное место для прилегания пробки, штампуется и приваривается донышко. Аналогично изготавливается внутренняя колба, у нее форма попроще. Внутренняя и наружная колба свариваются меж собой у горлышка и к донышку приваривается _трубка_! Через трубку затем откачивается воздух меж колб, вот на скриншоте с видео видно, как куча будущих термосов подключено к насосу.
Когда приемлемый уровень вакуума достигнут, трубку пережимают и герметичность обеспечена. Но у термоса на фото из заголовка поста, который я пилил, нет трубки!
Оказывается, придумана технология производства термосов про которую я не знал и информацию пришлось собирать по крупицам, хотя маркетологи постарались:
Она называется no tail technology или no tail de, и исходит из желания производителя упростить себе процесс вакуумирования. По этой технологии внутри пространства заранее размещается геттер (газопоглотитель):
Геттер – это таблетка материала, который при нагревании поглощает газы, и широко используется при производстве радиоламп. Именно он дал сноп ярко белых искр при распиливании. В наружном донышке делается прокол и сверху кладется маленький шарик из стекла, вот он на фото в углублении, чтобы не укатился:
Затем кучу термосов отправляем в специальную вакуумную печь, где уже воздух откачивается из всего объема печи, включая внутренний объем меж колб – мы же заранее сделали маленькую дырочку. А далее включаем нагрев, бусинка из стекла плавится и запечатывает отверстие. Если внутри остались остатки молекул воздуха – их доест таблетка газопоглотителя. (с оговорками)
Ну а после технология снова не отличается от классической – проверка, если термос держит тепло – наводим красоту: красим/шлифуем/полируем, упаковываем.
Для красоты можно провести электрохимическую полировку внутренней поверхности колбы, когда под действием электрического тока в электролите растворяются микронеровности на поверхности стали и колба выглядит отполированной. Практической ценности сие действо особенно не несет, разве что налет легче отмывать, зато маркетологи могут добавить наценку и рассказать про уникальную технологию многоуровневой полировки.
Про внешнюю окраску мое личное мнение – ничего практичнее просто шлифованной нержавейки нет, она и через 15 лет выглядит приемлемо. А вот облезлая краска, или ставший липким софт-тач может заставить выкинуть вполне исправный термос спустя годы.
Лучше этот способ вакуумирования или хуже, чем классическая трубка? Ни то, ни другое, это просто способ получить результат, вам же не важно, как нанесен рисунок на вашей игрушке – тампонной печатью, или шелкографией, если выглядит достойно? Обе технологии не спасают от брака и ошибок, поэтому советовать что-то одно не буду. Но термос настолько простая штука, что хвастаться перед конкурентами нечем, и маркетологи стали указывать эту особенность на коробке термосов.
4. А зачем внутри фольга?
Она выполняет роль зеркала.
Проще и дешевле при сборке обернуть колбу в фольгу, чем заниматься полированием нержавеющей трубы изнутри. Кроме того, алюминий отражает излучение лучше, чем сталь. Еще лучше в инфракрасной области отражает медь, но она дороже, поэтому медная фольга встречается реже. Еще лучше серебро, но серебро в виде покрытия встречается только в стеклянных термосах.
5. Что лучше? Стеклянный термос или стальной?
Если вопрос о том, какой лучше держит тепло – то стеклянный.
Но термос с нержавеющей колбой практичнее, так как прочнее, если стеклянный падение со стола может не пережить, то стальной выдержит. Еще стекло можно разбить размешивая содержимое стальной ложкой, или резко налив в холодную колбу кипятка. А дальше зависит от применения, если вы аккуратный человек и термос нужен чтобы пить чай на посту – то стеклянный отлично подойдет. Если же вам нужен термос пить чай в кабине прыгающей по ухабам буханки – то однозначно стальной.
6. Как чистить термос?
Если заядлый кофеман отдал вам термос под чай, то его придется чистить, в остальных случаях дело вкуса, так как толстый чайный налет на колбе на сохранение тепла не влияет.
Мой способ быстрый и простой – заливаем кипятком и засыпаем каустическую соду (другие названия: гидроксид натрия, NaOH, едкий натр. Продается как средство для прочистки труб “крот”, нужен самый дешевый, настолько дешевый, чтобы производителю не хватало денег что-то еще добавить в состав). Засыпаем осторожно, так как при растворении вода нагревается и может закипеть. Оставляем на 5 минут, сливаем – колба будет идеально чистая. Промываем и радуемся. Причем способ не повреждает нержавеющую сталь (стекло обычно тоже терпит, но если сильно злоупотреблять – может помутнеть), не пахнет и работает неизбирательно.
*Нет, не вредно. Всем кто боится “химии” – способ старый и известен столько же, сколько человечество умеет делать мыло.
*Раствор едкого натра не просто так называется едким – так же как чайный налет он разъедает кожу.
То же самое можно получить, если против налета использовать средство для чистки плит “антижир”, принцип тот же, только дороже. Все остальные способы (уксус, сода, рис и прочая ерунда) оставим только тем, кому важен процесс, а не результат.
Чего не стоит делать:
Использовать для чистки кислотные средства, а также средства являющиеся источниками галогенов (например белизна). В противном случае вы узнаете, что нержавеющая сталь не такая уж и нержавеющая.
Убирать термос на хранение не просушив – заведется плесень.
7. Как избавиться от запаха?
См. пункт выше. Нержавеющая сталь не впитывает запахи, поэтому при обработке колбы мощными моющими средствами запах уйдет. Но вот с пробкой могут быть проблемы – пластик, а в особенности прокладки запах впитывают, и даже тщательная отмывка от запаха не избавит. Радикально – только замена прокладок и может даже пробки. Другие способы советовать не буду пока сам не проверю.
8. Как отремонтировать термос?
Никак. Без шуток – для ремонта термоса (найти течь, заварить, приварить трубку, откачать, загерметизировать) нужно оборудование, время специалиста многократно превышающее стоимость покупки нового, поэтому затея не имеет смысла. Монтажная пена, изолон и прочее не работают. Магия термоса именно в хорошем вакууме, который получить не так просто.
Неисправный термос опознать легко – если в него залить кипяток – стенки становятся теплыми, у исправного термоса они холодные.
9. Какой термос брать?
Самый главный вопрос, и я на него дам один патриотический ответ – отечественный???? И к сожалению, похоже в России термосы с колбой из нержавеющей стали делает только Ашинский метзавод (торговая марка “амет”). Остальные производители заказывают производство в Китае. У Биостали производство тоже в Китае. По поводу производств термосов со стеклянной колбой в России сказать не могу, тут надеюсь на комментарии.
Если поддержка отечественного производства для вас не в приоритете – то смотрите на производителей, которые торгуют термосами давно (например зожируши, тайгер и т.п.) просто потому что для них можно купить запчасти – крышки, пробки. На китайский noname с этим могут быть проблемы.
p.s. Видеоверсии поста не будет, иначе я выйду из формата “написать пост за вечер”.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Отблагодарить звонкой монетой
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
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:BLOGСмотреть 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.
5%скидка Для читателей нашего блога
скидка 5% на весь
ассортимент Ваш промокод:BLOGСмотреть все термосы
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:BLOGСмотреть 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.
Источник