Как работают термосы-термосы?

Люди могут быть довольно противоречивыми даже в лучшие времена. Когда холодно, мы хотим согреться; когда жарко, мы хотим остыть. Это потому, что мы
теплокровные существа, которым нужно поддерживать температуру тела более или
менее постоянной, около 37 °C (98,6 °F), просто чтобы выжить. Термосы
немного похожи на людей в этом отношении: они любят поддерживать постоянную температуру.
Если вы нальете в них горячие напитки, они сохранят их горячими; если вы нальете в них холодные напитки, они
сохранят их холодными. Они просты, аккуратны и эффективны, но как именно
они работают?

Фото: Типичная термос Thermos®. Термосы широко известны как
термосы «Thermos» по названию немецкой компании, основанной Рейнхольдом Бургером, которая вывела эту технологию на рынок в 1904 году.

Как распространяется тепло

Прежде чем мы поймем, почему колбы так хороши, нам нужно
немного больше узнать о том, как передается тепло.

Тепло — это вид энергии, которая перемещается
по нашему миру тремя различными способами:
проводимостью, конвекцией и излучением. Если вы касаетесь чего-то горячего,
тепло течет прямо в ваше тело, потому что между вами и горячим объектом существует прямая
связь. Теплопроводность
происходит только тогда, когда вещи соприкасаются.

Конвекция, с
другой стороны, может происходить без необходимости прямого контакта. Если
вы включаете тепловентилятор, он выдувает горячий воздух через решетку в
вашу комнату. Горячий воздух менее плотный (легче, эффективно), чем холодный воздух,
поэтому он поднимается вверх. Когда горячий воздух начинает подниматься от тепловентилятора,
ему приходится отталкивать более холодный воздух со своего пути. Поэтому более холодный воздух у
потолка вашей комнаты движется обратно к полу, чтобы убраться с дороги
. Довольно скоро появляется своего рода невидимый конвейер
нагревания, восходящего воздуха и охлаждения нисходящего воздуха, и это постепенно нагревает
комнату. Когда тепло перемещается таким образом, используя движущуюся жидкость или
газ для перемещения из одного места в другое, мы называем это конвекцией.
Нагревание супа в кастрюле — это еще один способ использования конвекции.

Излучение
немного отличается от проводимости и конвекции. Когда объекты
горячие, они испускают свет. Вот почему костры светятся красным, оранжевым
и желтым. Это происходит потому, что атомы
в горячих объектах становятся «возбужденными» и нестабильными, когда они получают дополнительную тепловую энергию от
огня. Поскольку они нестабильны, атомы быстро возвращаются в свое
нормальное состояние — и испускают энергию, которая у них была в виде света. (Подробнее
о том, как и почему это происходит, читайте в нашей более длинной статье о свете.)
Иногда мы можем видеть свет, который производят атомы, а иногда нет.
Если свет, который они производят, немного краснее, чем мы видим,
это называется инфракрасным излучением
, и вместо того, чтобы видеть его, мы чувствуем его как тепло.
Вы можете чувствовать инфракрасное излучение, испускаемое горячими объектами, даже если
вы не касаетесь их (поэтому нет проводимости), и нет
воздуха или жидкости, которые могли бы переносить тепло (поэтому нет
конвекции). Излучение объясняет, почему мы можем чувствовать тепло, «исходящее» от
горячих предметов поблизости, даже когда мы не прикасаемся к ним (проводимость)
или не согреваемся горячим воздухом, который они генерируют (конвекция).

Подробнее о тепловой энергии вы можете прочитать в нашей основной статье о тепле.

Почему ваш кофе остывает

Предположим, вы только что заварили горячий кофе. Вы прекрасно понимаете, что вам нужно выпить
его быстро, пока он не остыл, но почему он остывает?
Температура кипятка составляет 100 °C (212 °F), в то время как комнатная
температура, скорее всего, будет 15–20 °C (60–70 °F), в зависимости от погоды
и
того, включено ли у вас отопление. Поскольку вода в вашем напитке намного
горячее, чем в комнате, тепло быстро уходит из кофейника
в окружающую среду. Часть тепла будет теряться за счет теплопроводности: поскольку
ваш кофейник стоит на столе или рабочей поверхности, тепло будет течь
прямо вниз и исчезать таким образом. Воздух непосредственно над и
вокруг кофейника будет нагреваться им и начнет двигаться, поэтому
больше тепла будет теряться за счет конвекции. А часть тепла также будет теряться
за счет излучения.

Произведение искусства: Ваш кофе охлаждается за счет сочетания теплопроводности, конвекции и излучения.

Вместе проводимость, конвекция и излучение превратят горячий кофе в нечто
холодное, отвратительное и противное менее чем за час. Если вы хотите, чтобы ваш
кофе оставался горячим, вам нужно остановить проводимость, конвекцию и
излучение. И вы можете сделать это, поместив свой кофе
в вакуумную колбу.

Как работают термосы

Вакуумная колба немного похожа на суперизолированный кувшин. Большинство версий имеют внутреннюю камеру и внешний
пластиковый или металлический корпус, разделенные двумя слоями стекла
с вакуумом между ними. Стекло обычно покрыто отражающим металлическим слоем.
Небьющиеся колбы избавляются от стекла. Вместо этого они имеют два слоя нержавеющей стали с вакуумом и отражающим слоем между ними. Сверху также имеется плотная завинчивающаяся пробка.

Фото: Сняв пробку, вы можете ясно увидеть отражающее стекло внутри этой термос-фляги. Еще две вещи, на которые стоит обратить внимание: во-первых, горлышко довольно узкое (что помогает снизить потери тепла), а вместимость фляги для жидкости намного меньше, чем можно было бы ожидать от ее общего размера. Это потому, что довольно много места занимает изолирующий воздушный зазор между внутренним контейнером и внешней пластиковой стенкой.

Эти несколько простых функций
предотвращают практически любую передачу тепла посредством проводимости,
конвекции или излучения. Вакуум предотвращает проводимость. Плотная
пробка не позволяет воздуху входить или выходить из колбы, поэтому
конвекция также невозможна. А как насчет излучения? Когда инфракрасное
излучение пытается покинуть горячую жидкость, отражающая подкладка внутренней
камеры отражает его обратно. Практически нет
возможности, чтобы тепло могло выйти из вакуумной колбы, и горячий напиток, хранящийся
внутри, останется горячим в течение нескольких часов.

Фляги также подходят для холодных напитков. Если тепло не может выйти из вакуумной
фляги, то это значит, что тепло не может проникнуть в флягу и снаружи.
Герметичная пробка не дает теплу проникать внутрь путем конвекции; вакуум не дает
проводить тепло, а металлическая прокладка между внешним корпусом и внутренней камерой
не дает теплу излучаться в обе.

Независимо от того, любите ли вы обжигающе горячий кофе или ледяной, термосы
— это абсолютно блестящий способ сохранить ваши напитки такими, какими вы хотите. Некоторое количество тепла все равно
в конечном итоге улетучивается (или проникает), в основном через пробку, но такие термосы все равно являются огромным
улучшением по сравнению практически с любым другим видом изолированных контейнеров для напитков.

Кто изобрел термос?

Ученые также используют вакуумные колбы, но они, как правило, называют их сосудами Дьюара или бутылками Дьюара. Это потому, что идея была первоначально задумана в начале 1890-х годов шотландским ученым по имени сэр Джеймс
Дьюар (1842–1923) . Согласно биографии Джона Роулинсона (см. ссылки ниже), Дьюар использовал свои колбы только для хранения лабораторных химикатов холодными, не предвидел огромного коммерческого рынка для
поддержания напитков горячими и, следовательно, никогда не патентовал эту идею.
(Он, на самом деле, запатентовал часть своей идеи — удаление воздуха из сосуда для создания «высокого вакуума» — но недостаточно, чтобы защитить все изобретение вакуумной колбы.)

Фото: На этом фото ученый НАСА выливает очень холодный жидкий азот из сосуда Дьюара.
Фото Тома Чиды предоставлено НАСА.

Термосы были разработаны Рейнхольдом Бергером и Альбертом Ашенбреннером, партнерами немецкой стеклодувной компании Burger and Aschenbrenner. Дьюар нанял немцев, чтобы они изготавливали термосы для его собственных лабораторных экспериментов, и они быстро осознали его коммерческий потенциал, подав заявку на немецкий патент
(DE170057: Сосуд с двойными стенками, закрывающий вакуумированную полость) в 1903 году. В 1904 году они основали компанию Thermos, чтобы продвигать свою идею, которая фактически была коммерческой эксплуатацией оригинального изобретения Джеймса Дьюара.

Вот один из оригинальных патентов США, который Бюргер получил в декабре 1907 года (Патент США № 872,795: Двустенный сосуд с пространством для вакуума между стенками — который вы, вероятно, узнаете как перевод названия немецкого патента). Как вы можете видеть, сравнив эту диаграмму с моей собственной иллюстрацией выше, основная идея мало изменилась: в вакуумных колбах по-прежнему используется двустенный контейнер для жидкости с вакуумом между стенками для предотвращения потери тепла.

Иллюстрация: Патент на термос-термос Рейнхольда Бургера, выданный в 1907 году. Иллюстрация предоставлена ​​Бюро по патентам и товарным знакам США.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Энергия
• Нагревать
• Теплоизоляция

Видео

• Технология вакуумной изоляции Thermos®: короткое (37 секунд!) видео, объясняющее основной принцип работы термоса.

Патенты

• Патент США № 872,795: Двустенный сосуд с пространством для вакуума между стенками от Рейнхольда Бургера (Thermos Bottle Company). Одно из оригинальных патентных описаний двустенного, изолированного термоса. Иллюстрация выше взята из этого патента.
• Патент США № 912,986: Сосуд с двойными стенками Альберта Ашенбреннера. Еще один ранний патент на термос, поданный партнером Бургера.

Книги

Для юных читателей

• «Как передается тепло» Алисии Клепеис, Кавендиш-сквер, 2019. Это довольно основательное введение в теплопроводность, конвекцию, излучение и основы кинетической теории для детей 8–10 лет.
• Eyewitness Energy Джека Чэллонера и Дэна Грина.
  Dorling Kindersley (DK), 2016. Это история того, как люди обуздали энергию и нашли ей удивительное применение. Лучше всего подходит для детей 9–12 лет.
• Heat Дарлин Стилл.
  Raintree, 2012. Солидное введение в науку о тепле — что это такое, как оно распространяется и как оно изменяет вещи.
  Включает несколько базовых занятий, глоссарий и несколько предложений для дальнейшего чтения. Возраст 7–9 лет.

Для читателей старшего возраста

• Сэр Джеймс Дьюар, 1842–1923: Безжалостный химик Джона Роулинсона. Routledge/Ashgate, 2012. Содержит краткий отчет об изобретении Дьюара и о том, как оно было использовано в коммерческих целях компанией Burger’s Thermos.

Статьи

• Этот революционный охладитель может спасти миллионы жизней, Лиз Стинсон. Wired, 18 июня 2013 г. Модифицированный сосуд Дьюара может облегчить транспортировку вакцин в жарких развивающихся странах.
• 20 сентября 1842 г.: Судьба Дьюара погублена Джоном С. Абеллом. Wired, 20 сентября 2010 г. История Джеймса Дьюара и того, как он не сумел извлечь выгоду из своего «крутого» изобретения.
• Современные проблемы подстегивают перемены в Thermos. The New York Times. 22 октября 1984 г. Старая (но тем не менее все еще интересная) статья из архива Times о растущей популярности стальных термосов и падающем спросе на продукт, устаревший из-за повсеместного распространения кофеен на вынос.