Публикация материалов

Темы исследований

Наш баннер

Мы будем благодарны, если Вы установите наш баннер!
Баннер нашего сайта
Код баннера:
<a href="http://obuchonok.ru/" target="_blank"> <img src="http://obuchonok.ru/banners/banob2.gif" width="88" height="31" alt="Обучонок. Обучающие программы и исследовательские работы учащихся"></a>
Все баннеры...

Изобретение термосов

Термос – вид посуды, который люди используют по сей день с целью поддержания высокой температуры продуктов питания. Термос является незаменимой частью в походах, когда нужно сохранить напиток горячим на протяжении долгого времени.

Термосу нужно как можно меньше отдавать тепло в окружающую среду для того, чтобы сохранить в нём постоянную температуру.


Потребность в массовом производстве сосудов, способных поддерживать заданную температуру, появилась во второй половине XIX века. Ученые разрабатывали различные конструкции контейнеров из стекла со сдвоенными стенками, однако в межстенье закачивали сжиженный газ, который быстро улетучивался.

Современную концепцию термосов предложил А.Ф. Вейнхольц в 1881 году. Он разработал контейнер из стекла со сдвоенными стенками, внутри которых был полностью откачан воздух (Ящик Вейнхольда). При этом объем сосуда, в плане температуры, практически перестал зависеть от температуры внешних стенок.

Спустя 11 лет в 1892 году физик и химик из Шотландии Д. Дьюар улучшил изобретение своего немецкого коллеги. Форма контейнера сменилась на колбу с узким верхним проёмом 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 подвешивалось 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.

В 1903 году Р. Бургеру, 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 и основал фирму по производству нового изделия – «вакуумной фляжки». С 1904 года в коммерческих целях он стал использовать новую торговую марку Thermos (в переводе с греческого «горячий»). С 1908 года термос стали массово выпускать в Америке, Канаде и Англии, откуда новые герметичные контейнеры для хранения жидкостей и поддержания их постоянной температуры стали постепенно распространяться по всему миру. [2]

Виды термосов. Преимущества и недостатки

Термос со стальной колбой изготавливают из прочной нержавеющей стали.


Его преимуществами являются долговечность, прочность и технологичность в обработке. Благодаря корпусу из нержавеющей стали, колба имеет не только большой срок эксплуатации, но и отличную стойкость к деформациям за счет своей прочной отполированной поверхности, поэтому термос способен прослужить человеку долгие годы.

Термос из стали удобен в производстве, ремонтопригодности и обладает высокими эксплуатационными качествами. Однако он не лишен недостатков. Термос, изготовленный из металла, характеризует высокая теплопроводность, так как он быстро меняет температуру - быстрее нагревается и быстрее остывает.

Также необходима дополнительная обработка термоса кипятком перед непосредственным использованием, иначе колба заберет часть энергии, и тем самым напиток будет холоднее. Поскольку высококачественная нержавеющая сталь намного дороже стекла, термосы со стальной колбой стоят дороже термосов со стеклянной колбой.

Корпус термоса со стеклянной колбой в основном изготавливают из металлопластмассы, жестяной пластины или пластика. Его преимуществами являются низкая теплопроводность, гигиеничность и вес. Термос со стеклянной колбой отличается меньшей массой по сравнению с термосом со стальной колбой.

Стоит учесть, что стекло хорошо проводит тепло и не вступает во взаимодействие с другими веществами, именно поэтому после использования термос со стеклянной колбой не перенимает ни от чего запахи. Но и термос со стеклянной колбой имеет свои недостатки. Стекло – хрупкий материал, поэтому оно подвержено спонтанному разрушению. Не стоит забывать о свойствах стекла: в термос со стеклянной колбой нельзя заливать кипяток, если его принесли с холода, иначе стекло может лопнуть. [6,9]

Устройство термоса и принцип работы

Работа термоса основана на сохранении тепла внутри себя, поэтому его нужно изолировать от внешней среды, которая заставляет его остывать. Самый простой изолятор веществ — это вакуум, так как вакуумная технология исключает все три механизма теплопередачи. Поэтому во многих термосах применяют вакуум, т.е. пространство, где нет никаких веществ, следовательно, и передавать тепло от колбы в окружающую среду будет нечем.

теплосбережение термоса

Рис.1 Устройство термоса

Принцип работы термоса схож с сосудом Дьюара, который представляет собой сосуд из двойных стенок. Между стенками находится вакуум или воздух. Сам сосуд сделан либо из стекла, либо из нержавеющей стали. Внутренняя часть колбы покрыта отражающим материалом, который отражает тепло внутри термоса. Внешняя часть термоса изготавливается либо из металла (больше механической прочности), либо из пластика. [3, 8]

Термодинамика

Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем и способы передачи, и превращения энергии в таких системах. В термодинамике изучаются процессы, для описания которых следует ввести понятие тепловых явлений и температуры.

Тепловые явления – явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел. Все тепловые явления связаны с температурой. Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия, главной характеристикой которого является температура.

Температура – мера «нагретости» тела. Приборы, которыми можно измерить температуру тела, называются термометрами. Чем выше температура, тем быстрее частицы движутся в теле, движение которых называется тепловым движением (хаотическое). [6]

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность – явление, при котором энергия передается от одной части тела к другой посредством столкновения частиц или при контакте двух тел. Теплопроводность связана с переносом энергии от более нагретых веществ к менее нагретым, который осуществляется хаотически движущимися частицами тела.

Если начать нагревать металлический стержень, к которому прикреплены гвоздики, то через некоторое время можно наблюдать, что гвоздики начнут отпадать. Это происходит за счет находящихся на концах стержня молекул, которые получают энергию и передают ее соседним молекулам, и тем самым стержень нагревается.

Конвекция – явление, связанное с переносом энергии струями, большими группами частиц жидкостей или газов. Как мы можем ее наблюдать? Например, при нагревании льда в пробирке с водой. Наберем в пробирку воду, положим лёд на дно пробирки и начнём нагревать зажжённой свечой верхний край пробирки.

При этом верхний край пробирки нагреется, но лёд так и не растает. Почему так происходит? Преимущественно это связанно с недостаточной теплопроводность воды распространять тепло по всей пробирке. Если же мы поместим пламя свечи к нижней части пробирке, то через некоторое время мы можем увидеть, что весь лёд в пробирке растает. Приведенные опыты свидетельствуют о том, что перенос энергии происходит не путем теплопередачи, а конвекцией.

Излучение – явление передачи энергии, наряду с конвекцией и теплопроводностью. Или, можно сказать, что излучение – это процесс испускания и распространения энергии в виде электромагнитных волн. Излучение можно наблюдать при взаимодействии Солнца и Земли.


Между этими планетами нет вакуума, поэтому энергия передаётся с помощью электромагнитных волн. Данное явление как раз является одним из видов излучения. Также мы можем наблюдать излучение и дома. Например, если зажечь лампу и сесть рядом, через некоторое время можно ощутить тепло, которое исходит от лампочки.

Принцип уменьшения теплопередачи каждым из способов положен в основу работы термоса. Термос устроен таким образом, что теплообмен с окружающей средой сведен до минимума. Вакуум между стенками колбы препятствует теплопередаче путем конвекции и теплопроводности, а зеркальный отражающий слой на внутренней поверхности колбы препятствует теплопередаче излучением. [4]

Количество теплоты – энергия, которую тело получает или теряет в процессе теплопередачи. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние. Внутренняя энергия тела может изменяться за счёт работы внешних сил. Если тело получает энергию, его внутренняя энергия увеличивается, а если теряет энергию – уменьшается. Это свидетельствует о связанности количества теплоты с внутренней энергией.

Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q=[Дж]

Количество теплоты зависит от изменения температуры, массы и рода жидкости.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяющееся при его охлаждении, прямо пропорционально массе тела и изменению его температуры: Q = cm(t2-t1), где с - удельная теплоемкость (Дж/кг•К), m - масса тела (кг), t2 - конечная температура тела, t1 – начальная температура. [1]

Охлаждение тела - процесс обратный нагреванию. Для его описания используется та же формула, что и для нагревания. Знак "минус", полученный при вычислениях говорит о том, что тело отдает теплоту, "плюс" - получает. [5]

Скорость нагревания и охлаждения тела пропорциональна разности температур между телом и окружающей средой.

Мощность – работа, выполненная в единицу времени. Это скалярная физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. [10]

Перейти к разделу: 3. Исследование термосов

Партнеры и статистика