Термос

Изолированный резервуар для хранения Типичная конструкция вакуумной колбы марки Thermos, используемой для поддержания температуры жидкостей, таких как кофе. Лабораторная колба Дьюара, Немецкий музей, Мюнхен Схема вакуумной колбы A криогенного хранения Дьюара жидкого азота, используется для питания криогенного морозильника

A вакуумной колбы (также известной как колба Дьюара, бутылка Дьюара или термос ) представляет собой изолирующий сосуд для хранения, который значительно увеличивает время, в течение которого его содержимое остается более горячим или холодным, чем окружающее пространство колбы. Изобретенная сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году, вакуумная колба состоит из двух колб, помещенных одна в другую и соединенных у горловины. В зазоре между двумя колбами частично откачивается воздух, создавая почти вакуум, который значительно снижает теплопередачу за счет теплопроводности или конвекции.

В домашних условиях используются вакуумные колбы, для хранения напитков горячими или холодными в течение длительных периодов времени и для многих целей в промышленности.

Содержание

• 1 История
• 2 Дизайн
• 3 Исследования и промышленность
• 4 Безопасность
• 5 Термодинамика
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Дополнительная литература
• 9 Внешние ссылки

История

Густав Роберт Паален, Двустенный сосуд. Патент 27 июня 1908 г., опубликован 13 июля 1909 г.

Вакуумная колба была разработана и изобретена шотландским ученым сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году в результате его исследований в области криогеники и в его честь иногда называют сосуд Дьюара. Выполняя эксперименты по определению теплоемкости элемента палладий, Дьюар сделал латунную камеру, которую он заключил в другую камеру, чтобы поддерживать желаемую температуру палладия. 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. Колба позже была разработана с использованием новых материалов, таких как стекло и алюминий ; однако Дьюар отказался запатентовать свое изобретение.

Дизайн Дьюара быстро превратился в коммерческий предмет в 1904 году, когда два немецких стеклодува, Райнхольд Бургер и Альберт Ашенбреннер, обнаружили, что его можно использовать для охлаждения холодных напитков и тепла. напитки теплые и изобрели более прочную конструкцию фляжки, которая подходила для повседневного использования. 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 заявить права на изобретение, Дьюар вместо этого проиграл судебное дело компании. 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 бутылок-термосов наладила массовое производство в Норвиче, штат Коннектикут, что снизило цены и позволило широко распространить продукт для домашнего использования. Со временем компания расширила размеры, формы и материалы этих потребительских товаров, в основном используемых для переноски кофе в пути и переноски жидкостей в походах, чтобы они оставались горячими или холодными. Со временем другие производители начали производить аналогичные продукты для потребителей.

Это название позже стало обобщенным товарным знаком после того, как термин «термос» стал нарицательным для такого контейнера с вакуумной изоляцией для жидкостей. В дальнейшем термос использовался для множества различных типов научных экспериментов, а коммерческий «термос» превратился в обычный предмет. Термос остается зарегистрированным товарным знаком в некоторых странах, но он был объявлен родовым товарным знаком в судебном иске в Соединенных Штатах в 1963 году, поскольку в просторечии стал синонимом термосов в целом. Однако есть и другие термосы.

Конструкция

Термос состоит из двух сосудов, один помещен в другой и соединен у горловины. В зазоре между двумя сосудами частично удаляется воздух, создавая частичный вакуум, который снижает теплопроводность проводимость или конвекцию. Теплопередача за счет теплового излучения может быть минимизирована посредством серебрения 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 пластика, и их отверстие закрывается пробкой. пробка или полиэтиленовая пластмасса. Вакуумные колбы часто используются в качестве изолированных транспортных контейнеров.

Чрезвычайно большие или длинные вакуумные колбы иногда не могут полностью поддерживать внутреннюю колбу только за счет горловины, 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, основаны на использовании двойных вакуумных колб. Эти колбы имеют две вакуумные секции. Внутренняя колба содержит жидкий гелий, а внешняя колба содержит жидкий азот с одной вакуумной секцией между ними. Таким образом ограничиваются потери драгоценного гелия.

Другие улучшения вакуумной колбы включают в себя защиту от излучения с паровым охлаждением и горловину с паровым охлаждением, которые помогают уменьшить испарение из колбы.

Исследования и промышленность

В лабораториях и в промышленности 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 очень холодную внутреннюю часть бутылки приводит к медленному выкипанию жидкости, так что узкое открытое отверстие или закрытое отверстие, защищенное предохранительным клапаном, становится необходимо для предотвращения повышения давления и, в конечном итоге, разрушения колбы. Изоляция вакуумной колбы приводит к очень медленному «кипению», и поэтому 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 стандарта стабилитрона из-за колебаний температуры до нескольких частей на миллион.

Одним из наиболее заметных примеров использования была компания Guildline Instruments, Канада, в их Transvolt, модель 9154B, насыщенном стандартном элементе, который является эталоном электрического напряжения. Здесь посеребренная вакуумная колба была заключена в изоляцию из пенопласта 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 вакуумной колбы 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.

Конструкция и форма сосуда Дьюара использовались в качестве модели для оптических экспериментов, основанных на идее о том, что форма двух отсеков с промежутком между ними похожа на форму света попадает в глаза. Вакуумная колба также была частью экспериментов с ее использованием в качестве конденсатора для различных химикатов, чтобы поддерживать их при постоянной температуре.

Промышленная колба Дьюара является основой устройства, используемого для пассивной изоляции медицинских грузов. Большинство вакцин чувствительны к теплу и требуют системы холодовой цепи, чтобы поддерживать их стабильную температуру, близкую к отрицательной. Устройство Arktek использует восемь литровых блоков льда для хранения вакцин с уровнем ниже 10 °C.

Безопасность

Вакуумные колбы подвержены риску взрыва, а стеклянные сосуды под вакуумом, в частности, может неожиданно разрушиться. Сколы, царапины или трещины могут быть отправной точкой для опасного отказа сосуда, особенно когда температура сосуда быстро меняется (при добавлении горячей или холодной жидкости). Рекомендуется надлежащая подготовка термоса Дьюара путем темперирования перед использованием для поддержания и оптимизации работы устройства. Стеклянные термосы обычно устанавливаются на металлическое основание, а цилиндр помещается в сетку, алюминий или пластик или покрыт сеткой, чтобы облегчить обращение с ним, защитить его от физического повреждения и содержать фрагменты в случае их разрушения.

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

Термодинамика

Скорость потери тепла (энергии) через вакуумную колбу можно проанализировать термодинамически, исходя из второго соотношения T dS:

$T\; d\; S\; =\; d\; H\; -\; V\; d\; PT\; surr\; \Delta \; S\; =\; mcp\; \delta \; T\; -\; V\; dp\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; T\; \backslash ,\; dS\; =\; dH-V\; \backslash ,\; dP\; \backslash \backslash \; T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; \backslash ,\; \backslash \; Delta\; S\; =\; mc\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{p\}\}\; \backslash ,\; \backslash \; delta\; TV\; \backslash ,\; dp\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Предполагая постоянное давление на протяжении всего процесса,

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

Перестановка уравнение температуры внешней поверхности внутренней стенки вакуумной колбы,

$T\; b\; \text{'}=\; T\; c\; +\; T\; surr\; \Delta \; S\; cp\; \{\backslash \; displaystyle\; T\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{b\}\text{'}\}\; =\; T\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{\; c\}\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; \backslash \; Delta\; S\}\; \{c\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{p\}\}\}\}\}$

Где

• Tsurr - температура окружающего воздуха
• ΔS - изменение удельной энтропии нержавеющей стали
• cp- удельная теплоемкость нержавеющей стали
• Tcтер Температура жидкости, содержащейся в колбе
• Tb′, является температурой внешней поверхности внутренней стенки вакуумной колбы.

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

$Q\; 0\; \prime \; =\; A\; \epsilon \; \sigma \; (T\; 4\; -\; T\; 0\; 4)\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\; \text{'}\_\; \{0\}\; =\; A\; \backslash \; varepsilon\; \backslash \; sigma\; \backslash \; left\; (T\; ^\; \{4\}\; -T\_\; \{0\}\; ^\; \{4\}\; \backslash \; right)\}$

В случае колбы,

$Q\; 0\; \prime \; =\; A\; в\; \epsilon \; ss\; \sigma \; (T\; b\; \prime \; 4\; -\; T\; surr\; 4)\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\; \text{'}\_\; \{0\}\; =\; A\; \_\; \{\backslash \; text\; \{in\}\}\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{ss\}\}\; \backslash \; sigma\; \backslash \; left\; (T\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{b\}\; \text{'}\}\; ^\; \{4\}\; -T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; ^\; \{4\}\; \backslash \; right)\}$

Подставляем предыдущее выражение для T b′,

$Q\; 0\; \prime \; знак\; равно\; A\; в\; \epsilon \; ss\; \sigma \; ((T\; c\; +\; T\; surr\; \Delta \; S\; cp)\; 4\; -\; T\; surr\; 4)\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\; \text{'}\_\; \{0\}\; =\; A\; \_\; \{\backslash \; text\; \{in\}\}\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\; \backslash \; text\; \{ss\}\}\; \backslash \; sigma\; \backslash \; left\; (\backslash \; left\; (T\_\; \{c\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; \backslash \; Delta\; S\}\; \{c\_\; \{p\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{4\}\; -\; T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; ^\; \{4\}\; \backslash \; right)\}$

Где

• Q′0- скорость передачи тепла излучением через вакуумную часть колбы.
• Ain- это площадь поверхности вне внутренняя стенка колбы
• εss- коэффициент излучения st Бесконечная сталь
• σ - постоянная Стефана – Больцмана

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

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

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

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

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

$Q\; out\; \prime \; =\; \epsilon \; ss\; Q\; 0\; \prime \; \{\backslash \; displaystyle\; Q\; \text{'}\_\; \{\backslash \; text\; \{out\}\}\; =\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\; \backslash \; text\; \{ss\}\}\; Q\; \text{'}\_\; \{0\}\}$

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

$Q\; lid\; \prime \; =\; Q\; cond\; \prime \; +\; Q\; conv\; \prime \; +\; Q\; rad\; \prime \; =\; k\; A\; lid\; (T\; b\; -\; T\; surr\; \Delta \; x)\; +\; h\; A\; lid\; (T\; b\; -\; T\; surr)\; +\; A\; крышка\; \epsilon \; pp\; \sigma \; ((T\; c\; +\; T\; surr\; \Delta \; S\; pp\; cp\; pp)\; 4\; -\; T\; surr\; 4)\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; Q\; \text{'}\_\; \{\backslash \; text\; \{lid\}\}\; =\; Q\; \text{'}\_\; \{\backslash \; text\; \{cond\}\}\; +\; Q\text{'}\; \_\; \{\backslash \; text\; \{conv\}\}\; +\; Q\; \text{'}\_\; \{\backslash \; text\; \{rad\}\}\; \backslash \backslash \; =\; kA\; \_\; \{\backslash \; text\; \{lid\}\}\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{T\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{b\}\}\; -T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\}\; \{\backslash \; Delta\; x\}\}\; \backslash \; right)\; +\; hA\; \_\; \{\backslash \; text\; \{lid\}\}\; \backslash \; left\; (T\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{b\}\}\; -T\_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; \backslash \; right)\; +\; A\; \_\; \{\backslash \; text\; \{lid\}\}\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; text\; \{pp\}\}\; \backslash \; sigma\; \backslash \; left\; (\backslash \; left\; (T\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{c\}\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{\; T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; \backslash \; Delta\; S\; \_\; \{\backslash \; text\; \{pp\}\}\}\; \{c\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{p\}\}\; ^\; \{\backslash \; text\; \{pp\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{4\}\; -T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\; ^\; \{4\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Где

• k - теплопроводность воздуха
• h - коэффициент конвективной теплопередачи свободного воздуха
• εpp- коэффициент излучения полипропилена
• Aкрышка - площадь внешней поверхности крышки
• c. p- удельная теплоемкость полипропилена
• ΔSpp- удельная энтропия полипропилена
• Δx - расстояние над wh Их теплопроводность через температурный градиент имеет место

Теперь у нас есть выражение для общей скорости потери тепла, которая является суммой скорости потери тепла через стенки вакуумной колбы и скорости потери тепла через крышку

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

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

Скорость генерации энтропии этого процесса также может быть рассчитана, исходя из баланса энтропии:

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

Записано в форме оценки,

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

Предполагая установившийся процесс,

$-\; \int \; 1\; T\; surr\; d\; Q\; \prime \; +\; S\; gen\; \prime \; =\; 0\; \Rightarrow \; S\; gen\; \prime \; =\; Q\; 2\; \prime \; -\; Q\; 1\; \prime \; T\; surr\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; -\; \backslash \; int\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\}\}\; \backslash ,\; dQ\; \text{'}+\; S\text{'}\; \_\; \{\backslash \; text\; \{gen\}\}\; =\; 0\; \backslash \backslash \backslash \; Rightarrow\; S\; \text{'}\; \_\; \{\backslash \; text\; \{gen\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{Q\; \text{'}\_\; \{2\}\; -Q\text{'}\; \_\; \{1\}\}\; \{T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\}\}\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Поскольку в систему не добавляется тепла,

$S\; gen\; \prime \; =\; Q\; total\; \prime \; T\; surr\; \{\backslash \; displaystyle\; S\; \text{'}\_\; \{\backslash \; text\; \{gen\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{Q\text{'}\; \_\; \{\backslash \; text\; \{total\}\}\}\; \{T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{surr\}\}\}\}\}$

См. Также

• Герметичное уплотнение
• Солнцезащитный экран (JWST) (слои его теплового экрана используют вакуумный барьер для обеспечения изоляции)
• Тервис Тамблер

Ссылки

Дополнительная литература

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

Внешние ссылки

• СМИ, относящиеся к термосам на Wikimedia Commons