В чем секрет термоса

Введение

По выходным мы любим кататься на лыжах и всегда берем с собой термос с горячим чаем. Но однажды я нечаянно уронил термос. В лесу я заметила, что чай остыл, хотя раньше он оставался теплым. Мама мне объяснила, что при падении термоса треснула колба и поэтому вода быстро охлаждается. Рассмотрев разбитый термос, я увидел, что колба зеркальная, и предположил, что из-за этого вода долго не остывает. Папа мне подсказал, что между стенками колбы был вакуум и, может быть поэтому, вода долго не остывала. Я решил изготовить термос в домашних условиях. Но чтобы сделать термос надо знать, в чем его секрет.

Термос давно и прочно вошёл в нашу повседневную жизнь. Его можно найти практически на каждой кухне, в рюкзаке у путешественника или в сумке у студента. Летом половина города по пути на работу пьёт кофе из термостакана, или тамблера, а это тот же термос. И, кстати, походная кружка с двойными стенками тоже работает по принципу термоса.

Именно этим и обосновывается актуальность выбранной темы.

Предмет проекта – термос, объект проекта – физика.

Цель: проанализировать информацию по выбранной теме и разобраться, как работает термос.

Задачи:

• изучить историю развития термоса;
• изучить сущность физических явлений, происходящих внутри термоса;
• попробовать изготовление термоса в домашних условиях;
• провести испытания модели термоса;
• проанализировать результаты.

В данной работе используются следующие методы исследования: изучение и анализ научной литературы, сравнение различных точек зрения, а также ознакомление со статистическими данными и их анализ.

В ходе написания исследования автор изучил фундаментальные научные исследования отечественных ученых по обозначенной теме.

Теоретическая часть

История развития термоса

Изобретению термоса скоро исполнится сто пятьдесят лет, его прообраз в 1881 году создал немецкий физик Адольф Фердинанд Вейнхольд. Это был стеклянный ящик с двойными стенками, а, чтобы уменьшить теплопроводимость, из его межстеночного пространства был откачан воздух. Другой физик, Джеймс Дьюар, в 1892 году усовершенствовал эту конструкцию, создав колбу с узким горлом и такими же двойными стенками, так называемый сосуд Дьюара.

Оба физика занимались чистой наукой и создавали свои сосуды для получения и хранения жидких газов. А вот берлинский производитель стеклянных изделий Рейнхольд Бургер разглядел в сосуде Дьюара коммерческую перспективу.

Рисунок 1. Господин Бургер вместе со своим изобретением в одной руке и колбой Дьюара в другой

Изобретению термоса скоро исполнится сто пятьдесят лет, его прообраз в 1881 году создал немецкий физик Адольф Фердинанд Вейнхольд. Это был стеклянный ящик с двойными стенками, а, чтобы уменьшить теплопроводимость, из его межстеночного пространства был откачан воздух. Другой физик, Джеймс Дьюар, в 1892 году усовершенствовал эту конструкцию, создав колбу с узким горлом и такими же двойными стенками, так называемый сосуд Дьюара.

Оба физика занимались чистой наукой и создавали свои сосуды для получения и хранения жидких газов. А вот берлинский производитель стеклянных изделий Рейнхольд Бургер разглядел в сосуде Дьюара коммерческую перспективу.

Рисунок 2. Реклама продукции фирмы Thermos на территории Северной Америки

Рейнгольд Бургер творчески переработал идею физика. Сосуд Дьюара был очень хрупким: внешняя и внутренняя колбы были из стекла и соединялись только у горловины. Бургер же разработал систему дополнительного крепления внутренней колбы, изготовил металлический корпус и снабдил свою конструкцию пробкой и удобной крышкой-стаканчиком. В 1903 году в Германии им был получен патент на новое изобретение, призванное сохранять напитки горячими, равно как и холодными, на протяжении длительного времени.

Сосуды Дьюара, к слову, не были запатентованы, поскольку их изобретатель считал, что они не будут иметь коммерческого успеха, но ошибался. И когда Дьюар обратился в суд с жалобой на незаконное использование его изобретения, его иск был отклонён.

Далее был объявлен конкурс на лучшее название, и, как вы уже, наверное, догадались, в качестве победителя выбрали Thermos (от греческого therme — горячий). Бургер основал одноимённую фирму, и с 1904 года в Европе началось коммерческое производство термосов.

Позднее аналогичный патент был получен на территории США, лицензию на производство термосов продали компаниям из Англии, Канады и США. Сейчас права на использование торговой марки Thermos принадлежат китайской компании Thermos LLC, которая и выпускает их под этим именем.

Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса

Чтобы понять принцип работы термоса, следует более подробно остановиться на сущности тех физических явлений, которые происходят внутри него.

• Крышка термоса
• Пробка
• Корпус термоса
• Зеркальная колба

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.

Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии или теплопередача от одного тела к другому до наступления равновесия. Тепло всегда передаётся от более горячих тел более холодным. Это значит, что если не защищать горячий чай в термосе, то он очень скоро станет холодным, так как тепловая энергия чая будет передаваться воздуху. Чай постепенно остынет.

Виды теплопередачи

Что требуется учитывать в устройстве термосе, чтобы остановить процесс теплопередачи. Требуется разобраться с видами теплопередачи, чтобы понять, как правильно должен работать термос.

Различают три вида теплопередачи:

Теплопроводность.

Это способ передачи тепла (энергии) от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам, или от более горячих тел к менее нагретым при непосредственном соприкосновении.

Хорошие проводники тепла – металлы, хуже проводят тепло жидкости. Очень плохо проводят тепло воздух, пластмасса, дерево, поролон, пенопласт, строительная пена, бумага и т.д.

Данный вид теплопередачи широко используется в устройстве термоса. Между стенками колбы нет воздуха, там вакуум. Вакуум обладает самой низкой теплопроводностью, поэтому остывание жидкости в термосе происходит очень медленно.

Конвекция.

Это способ передачи тепла (энергии) струями жидкости или газа.

Данное физическое явление могло бы наблюдаться в термосе, если бы горло колбы не закрывалось специальной пробкой, которая препятствует передаче тепла от жидкости в воздух.

Излучение.

Это способ передачи тепла (энергии) в виде невидимых лучей. Все тела, нагретые до любой температуры, излучают невидимые лучи, передающие тепло. Чем выше температура тела, тем больше излучается энергии.

Светлые блестящие поверхности отлично отражают тепло, а темные поверхности наоборот, очень хорошо поглощают энергию. Эти физические явления тоже использовали в устройстве термосе. Колба термоса покрыта слоем из отражающего зеркального материала. Это помогает ей отражать энергию жидкости, и она меньше остывает. Зеркальная поверхность мало нагревается, поэтому колба остаётся холодной.

Данное теоретическое исследование помогло раскрыть секреты устройства термоса. Обобщая полученные данные, можно сказать, что главная задача термоса – хранить тепло как можно дольше. Этого можно добиться, если учитывать физические процессы, которые протекают внутри термоса. Необходимо, чтобы теплопередача между горячей жидкостью и холодным воздухом была как можно меньше. Этого добиваются производители термосов. Возможно ли достижение такого эффекта в лабораторных условиях? На этот вопрос я постараюсь ответить в следующей части моей работы.

Практическая часть

Изготовление термоса в домашних условиях

Для изготовления термоса в домашних условиях я буду использовать подручные средства, которые есть в каждом доме. Вариантов изготовления термоса может быть несколько.

Для модели термоса мне потребуются следующие материалы и инструменты:

• Пластиковая бутылка 1.5 л.
• Пластиковая бутылка 2 л.
• Скотч
• Теплоизоляционный материал – газеты
• Светоотражающий материал – фольга
• Ножницы, нож.

Таблица 1. Ход работы по плану

У данной модели есть свои особенности. Так как колба выполнена из пластиковой бутылки, то наливать в неё горячую воду не рекомендуется. От горячей воды колба может деформироваться. Поэтому при испытаниях этой модели я буду использовать холодную воду.

Испытания модели термоса

Для проведения испытания модели термоса буду использовать холодную воду. Заливаю воду в термос. Предварительно следует измерить её температуру. Испытания термоса будут проходить в течение шести часов. Каждый час я буду замерять температуру воды. Термос во время испытания будет находиться в комнате на столе при комнатной температуре +21.

Время

• Температурные значения воды;
• Величина изменения температуры воды.

Начало испытания

+ 2 (воду взял из крана)

Через час

+6

Через час

+8

Через час

+12

Через час

+14

Через час

+18

Через час

+20

Через шесть часов вода стала комнатной температуры. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что такую модель термоса можно изготовить в домашних условиях и использовать для хранения холодных жидкостей. Для увеличения теплоизоляции можно использовать другие теплоизоляционные материалы. Например, поролон, синтепон, пенопласт. Это позволит увеличить время нагревания жидкости. Вода будет нагреваться ещё медленнее. Ещё одним достоинством этой модели можно считать его небольшой вес и небьющуюся колбу.

Анализ результатов

Моя экспериментальная работа по изготовлению моделей термосов и исследования температурных значений воды доказала, что изготовить термос в домашних условиях вполне реально. У самодельных термосов есть свои плюсы:

• Это использование подручных бросовых материалов.
• Это низкая себестоимость такого изделия по сравнению с купленным термосом.
• Это небольшой вес изделия.
• Это технологическая простота в изготовлении.
• Это достаточная прочность изделия.

Но есть и минусы:

• Остывание или нагревание воды происходит быстрее, чем в заводских моделях.
• Внешний вид изделия не совсем привлекателен.
• Самодельный термос невозможно вымыть после использования, так как горлышко бутыли, которую использовали для изготовления колбы, узкое.
• Самое главное, что я понял – изготовление термоса в домашних условиях возможно, если при этом учитываются все физические процессы протекающие внутри этого устройства.

Также, удалось сделать следующие выводы:

• воздух плохо проводит тепло;
• черные поверхности поглощают энергии больше, а зеркальные поверхности — энергию отражают;
• зеркальные поверхности отражают энергию больше;
• лучшим теплоизолятором в домашних условиях является пенопласт.

Заключение

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.

В ходе своей работы я узнал историю появления термоса и выяснил устройство этого изделия, я понял суть протекающих в нём физических явлений. Это позволило мне сконструировать модель термоса. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы. Наш эксперимент по использованию самодельного термоса в домашних условиях можно считать удачным. Он доказал, что изготовление термоса в домашних условиях реально и выполнимо. Я уверенно могу сказать, что знания физических закономерностей помогает человеку жить.

Список использованных источников

1. Заречина, К. А. Секрет термоса / К. А. Заречина, Т. Ю. Ионова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2016. — № 3 (6). — С. 136-137. — URL: https://moluch.ru/young/archive/6/439/ (дата обращения: 24.12.2022)
2. Надеждин, Б. Б. Изучение свойств термоса / Б. Б. Надеждин, Т. А. Аронова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2019. — № 5 (25). — С. 45-48. — URL: https://moluch.ru/young/archive/25/1541/ (дата обращения: 24.12.2022).