Термос

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Термостат»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( ноябрь 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Типичная конструкция вакуумной колбы марки Thermos , используемой для поддержания температуры жидкостей, таких как кофе .

Лабораторная колба Дьюара, Немецкий музей , Мюнхен

Схема вакуумной колбы

Криогенное хранение Дьюар из жидкого азота , используемый для подачи криогенного морозильника

Вакуумной колбы (также известный как сосуд Дьюара , Дьюара бутылки или термоса ) представляет собой изолирующий сосуд для хранения , что значительно удлиняет время , в течение которого ее содержимое остаются горячее или холоднее , чем окружение колбы в. Изобретенный сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году термос состоит из двух колб , помещенных одна в другую и соединенных горлышком. Из зазора между двумя колбами частично откачивается воздух, создавая почти вакуум, который значительно снижает теплопередачу за счет теплопроводности или конвекции .

Термосы используются внутри страны, чтобы поддерживать напитки горячими или холодными в течение длительных периодов времени, а также для многих целей в промышленности.

История [ править ]

Вакуумная колба была спроектирована и изобретена шотландским ученым сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году в результате его исследований в области криогеники и в его честь иногда называется колбой Дьюара. Выполняя эксперименты по определению теплоемкости элемента - палладия , Дьюар сделал латунную камеру, которую он заключил в другую камеру, чтобы поддерживать желаемую температуру палладия. ^[1]Он откачал воздух между двумя камерами, создав частичный вакуум, чтобы поддерживать стабильную температуру содержимого. Из-за потребности в этом изолированном контейнере Джеймс Дьюар создал термос, который стал важным инструментом для химических экспериментов, а также стал обычным предметом домашнего обихода. Позднее колба была разработана с использованием новых материалов, таких как стекло и алюминий ; однако Дьюар отказался запатентовать свое изобретение. ^[1]

Дизайн Дьюара был быстро превращен в коммерческий предмет в 1904 году, когда два немецких стеклодува , Райнхольд Бургер и Альберт Ашенбреннер, обнаружили, что его можно использовать для сохранения холодных напитков холодными и теплых напитков, и изобрели более прочную конструкцию колбы, которая подходила для повседневного использования использовать. ^{[2] [3]} Конструкция сосуда Дьюара никогда не была запатентована, но немецкие люди, обнаружившие коммерческое использование продукта, назвали его Thermos и впоследствии заявили права на коммерческий продукт и торговую марку на это имя. В его последующей попытке потребовать права на изобретение, Дьюар вместо этого проиграл судебное дело компании. ^[4]Производство и характеристики бутылки-термоса были значительно улучшены и усовершенствованы венским изобретателем и торговцем Густавом Робертом Пааленом, который разработал различные типы для домашнего использования, которые он также запатентовал и широко распространял через компании по производству бутылок-термосов в Соединенных Штатах. Канада и Великобритания, которые купили лицензии для соответствующих национальных рынков. Американская компания по производству термосов наладила массовое производство в Норвиче , штат Коннектикут, что привело к снижению цен и позволило широко распространить продукт для домашнего использования. ^[2] Со временем компания расширила размеры, формы и материалы этих потребительских товаров, в основном используемых для перевозки кофе.в пути и носить с собой жидкости в походах, чтобы они были либо горячими, либо холодными. Со временем другие производители начали выпускать аналогичные продукты для потребителей.

Позже это название стало универсальным товарным знаком после того, как термин «термос» стал нарицательным для такого контейнера с вакуумной изоляцией для жидкостей. ^{[2] [5]} В дальнейшем термос использовался для многих различных типов научных экспериментов, а коммерческий «термос» превратился в обычный предмет. Термос остается зарегистрированным товарным знаком в некоторых странах, но он был объявлен универсальным товарным знаком в судебном иске в Соединенных Штатах в 1963 году, поскольку в разговорной речи он стал синонимом термосов в целом. ^[5] Однако есть и другие термосы.

Дизайн [ править ]

Колба для вакуумирования состоит из двух сосудов, один помещен в другой и соединен горлышком. Из зазора между двумя сосудами частично удаляется воздух, создавая частичный вакуум, который снижает теплопроводность или конвекцию . Передача тепла за счет теплового излучения может быть минимизирована путем посеребрения поверхностей колбы, обращенных к зазору, но может стать проблемой, если содержимое колбы или окружающая среда очень горячие; следовательно, в вакуумных колбах обычно содержится содержимое ниже точки кипения воды. Большая часть теплопередачи происходит через горлышко и отверстие колбы, где нет вакуума. Термосы обычно изготавливаются из металла , боросиликатного стекла , пенопласта.или из пластика и имеют их открытие закупоривают с пробкой или полиэтиленовой пластмассы. Термосы часто используются в качестве изотермических транспортных контейнеров .

Чрезвычайно большие или длинные термосы иногда не могут полностью поддерживать внутреннюю колбу только за горлышко, поэтому дополнительную поддержку обеспечивают прокладки между внутренней и внешней оболочкой. Эти прокладки действуют как тепловой мост и частично снижают изоляционные свойства колбы вокруг области контакта прокладки с внутренней поверхностью.

Некоторые технологические приложения, такие как аппараты ЯМР и МРТ , зависят от использования двойных вакуумных колб. Эти колбы имеют две вакуумные секции. Внутренняя колба содержит жидкий гелий, а внешняя колба - жидкий азот с одной вакуумной секцией между ними. Таким образом ограничиваются потери драгоценного гелия.

Другие улучшения в вакуумной колбу , включают пара охлаждения излучения щит и пару охлаждения шеи , ^[6] оба из которых помогают уменьшить испарение из колбы.

Исследования и промышленность [ править ]

В лабораториях и на производстве вакуумные колбы часто используются для хранения сжиженных газов (часто LN2) для мгновенного замораживания, подготовки проб и других процессов, в которых желательно поддерживать чрезвычайно низкую температуру. В вакуумных колбах большего размера хранятся жидкости, которые становятся газообразными при температуре значительно ниже окружающей, например кислород и азот ; в этом случае утечка тепла в чрезвычайно холодную внутреннюю часть бутылки приводит к медленному вскипанию жидкости, поэтому для предотвращения давления необходимо узкое открытое отверстие или закрытое отверстие, защищенное предохранительным клапаном.от накопления и, в конечном итоге, разрушения колбы. Изоляция вакуумной колбы приводит к очень медленному «кипению» и, таким образом, содержимое остается жидким в течение длительного времени без холодильного оборудования.

Вакуумные колбы использовались для размещения стандартных элементов и запеченных стабилитронов вместе с их печатной платой в прецизионных устройствах регулирования напряжения, используемых в качестве электрических эталонов. Колба помогала контролировать температуру стабилитрона в течение длительного периода времени и использовалась для уменьшения отклонений выходного напряжения эталона стабилитрона из-за колебаний температуры до нескольких частей на миллион.

Одним из наиболее заметных примеров использования была компания Guildline Instruments из Канады в их Transvolt, модель 9154B, насыщенном стандартном элементе, который является стандартом электрического напряжения. Здесь посеребренная вакуумная колба была заключена в пенопластовую изоляцию и с помощью большой стеклянной вакуумной пробки удерживала насыщенную ячейку. Выходное напряжение устройства составляло 1,018 вольт с точностью до нескольких частей на миллион.

Принцип работы термоса делает его идеальным для хранения определенных типов ракетного топлива, и НАСА широко использовало его в топливных баках ракет-носителей «Сатурн» в 1960-х и 1970-х годах. ^[7]

Дизайн и форма сосуда Дьюара использовались в качестве модели для оптических экспериментов, основанных на идее о том, что форма двух отсеков с пространством между ними аналогична тому, как свет попадает в глаз. ^[8] Вакуумная колба также была частью экспериментов с использованием ее в качестве конденсатора для различных химикатов, чтобы поддерживать их постоянную температуру. ^[9]

Промышленная колба Дьюара является основой устройства, используемого для пассивной изоляции медицинских грузов. ^{[10] [11]} Большинство вакцин чувствительны к теплу ^{[12] [13]} и требуют системы холодовой цепи , чтобы поддерживать их при стабильной, близкой к отрицательной температуре. Устройство Arktek использует восемь один-литровые блоки льда , чтобы держать вакцины в возрасте до 10 ° С . ^[14]

В нефтегазовой промышленности сосуды Дьюара используются для изоляции электронных компонентов в инструментах для каротажа на кабеле. ^[15] Обычные каротажные инструменты (рассчитанные на 350 ° F) модернизируются до требований к высокотемпературным условиям путем установки всех чувствительных электронных компонентов в сосуд Дьюара. ^[16]

Безопасность [ править ]

Вакуумные колбы подвержены риску взрыва , а стеклянные сосуды в вакууме, в частности, могут неожиданно разбиться. Сколы, царапины или трещины могут быть отправной точкой для опасного отказа сосуда, особенно когда температура сосуда быстро меняется (когда добавляется горячая или холодная жидкость). Рекомендуется надлежащая подготовка термоса Дьюара путем темперирования перед использованием для поддержания и оптимизации работы устройства. Стеклянные термосы обычно вставляются в металлическое основание, а цилиндр помещается в сетку, алюминий или пластик или покрыт сеткой, чтобы облегчить обращение, защитить его от физического повреждения и содержать осколки в случае их разрушения. ^{[ необходима цитата ]}

Кроме того, криогенные хранилища Дьюара обычно находятся под давлением, и они могут взорваться, если не используются предохранительные клапаны .

Термодинамика [ править ]

Этот раздел может быть слишком техническим, чтобы его могло понять большинство читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технические детали. ( Февраль 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Скорость потери тепла (энергии) через вакуумную колбу может быть проанализирована термодинамически, исходя из второго соотношения T  dS : ^[17]

${\ displaystyle {\ begin {align} T \, dS & = dH-V \, dP \\ T _ {\ text {surr}} \, \ Delta S & = mc _ {\ mathrm {p}} \, \ delta TV \ , дп \ конец {выровнено}}}$

Предполагая постоянное давление на протяжении всего процесса,

${\ displaystyle T _ {\ text {surr}} \ Delta S = c _ {\ mathrm {p}} \ left (T _ {\ mathrm {b} '} -T _ {\ mathrm {c}} \ right)}$

Преобразуя уравнение в зависимости от температуры внешней поверхности внутренней стенки вакуумной колбы,

${\displaystyle T_{\mathrm {b} '}=T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{\mathrm {p} }}}}$

Где

• T _surr - температура окружающего воздуха.
• Δ S - изменение удельной энтропии нержавеющей стали
• c _p - удельная теплоемкость нержавеющей стали
• T _c - температура жидкости, содержащейся в колбе.
• T _{b ′} - температура внешней поверхности внутренней стенки вакуумной колбы.

Теперь рассмотрим общее выражение для потерь тепла из-за излучения:

${\displaystyle Q'_{0}=A\varepsilon \sigma \left(T^{4}-T_{0}^{4}\right)}$

В случае вакуумной колбы,

${\displaystyle Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(T_{\mathrm {b} '}^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)}$

Подставляя наше предыдущее выражение для T _{b ′} ,

${\displaystyle Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(\left(T_{c}+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{p}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)}$

Где

• Q ′ ₀ - скорость передачи тепла излучением через вакуумную часть колбы.
• A _in - площадь внешней поверхности внутренней стенки колбы.
• ε _ss - коэффициент излучения нержавеющей стали
• σ - постоянная Стефана – Больцмана

Предполагая, что внешняя поверхность внутренней стенки и внутренняя поверхность внешней стенки вакуумной колбы покрыты полированным серебром, чтобы минимизировать потери тепла из-за излучения, мы можем сказать, что скорость поглощения тепла внутренней поверхностью внешней стенка равна поглощающей способности полированного серебра, умноженной на тепло, излучаемое внешней поверхностью внутренней стены,

${\displaystyle \alpha Q'_{0}=Q'_{\text{in}}}$

Для поддержания баланса энергии тепло, теряемое через внешнюю поверхность внешней стены, должно быть равно теплу, поглощаемому внутренней поверхностью внешней стены,

${\displaystyle Q'_{\text{in}}=Q'_{\text{out}}}$

Поскольку поглощающая способность полированного серебра такая же, как и его излучательная способность, мы можем написать

${\displaystyle Q'_{\text{out}}=\varepsilon _{\text{ss}}Q'_{0}}$

Мы также должны учитывать скорость потери тепла через крышку вакуумной колбы (при условии, что она сделана из полипропилена, обычного пластика), когда внутри материала нет вакуума. В этой области присутствуют три режима теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Следовательно, скорость потери тепла через крышку составляет:

${\displaystyle {\begin{aligned}Q'_{\text{lid}}&=Q'_{\text{cond}}+Q'_{\text{conv}}+Q'_{\text{rad}}\\&=kA_{\text{lid}}\left({\frac {T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}}{\Delta x}}\right)+hA_{\text{lid}}\left(T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}\right)+A_{\text{lid}}\varepsilon _{\text{pp}}\sigma \left(\left(T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S_{\text{pp}}}{c_{\mathrm {p} }^{\text{pp}}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)\end{aligned}}}$

Где

• k - теплопроводность воздуха
• h - коэффициент конвективной теплоотдачи атмосферного воздуха
• ε _pp - коэффициент излучения полипропилена
• _Крышка является внешней площадью поверхности крышки
• c^пп
  _п - удельная теплоемкость полипропилена
• Δ S _pp - удельная энтропия полипропилена.
• Δ x - расстояние, на котором имеет место проводимость через температурный градиент.

Теперь у нас есть выражение для общей скорости потери тепла, которая представляет собой сумму скорости потери тепла через стенки вакуумной колбы и скорости потери тепла через крышку:

${\displaystyle Q'_{\text{total}}=Q'_{\text{out}}+Q'_{\text{lid}}}$

где мы подставляем каждое из выражений для каждого компонента в уравнение.

Скорость генерации энтропии этого процесса также можно рассчитать, исходя из баланса энтропии:

${\displaystyle \Delta S_{\text{system}}=S_{\text{in}}-S_{\text{out}}+S_{\text{gen}}}$

Написано в форме оценки,

${\displaystyle \Delta S'_{\text{system}}=S'_{\text{in}}-S'_{\text{out}}+S'_{\text{gen}}}$

Предполагая установившийся процесс,

${\displaystyle {\begin{aligned}-\int {\frac {1}{T_{\text{surr}}}}\,dQ'+S'_{\text{gen}}&=0\\\Rightarrow S'_{\text{gen}}&={\frac {Q'_{2}-Q'_{1}}{T_{\text{surr}}}}\end{aligned}}}$

Поскольку система не нагревается,

${\displaystyle S'_{\text{gen}}={\frac {Q'_{\text{total}}}{T_{\text{surr}}}}}$

См. Также [ править ]

• Герметичная пломба
• Солнцезащитный экран (JWST) (слои теплозащитного экрана используют вакуумный барьер для обеспечения изоляции.)
• Тервис Тамблер

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Burger, R., Патент США № 872,795 , «Сосуд с двойными стенками с пространством для вакуума между стенками», 3 декабря 1907 г.
• Селла, Андреа (август 2008 г.). "Фляжка Дьюара" . Химия Мир : 75 . Проверено 30 августа 2008 .

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с термосами на Викискладе?