Как термосы сохраняют горячую еду горячей, а холодную еду холодной? Вы можете обнаружить, что происходит внутри термосов и термокружек.
Многие из нас имеют или знают о термосе с вакуумными колбами. Я помню, что когда я был ребёнком, у меня был такой термос, помещавшийся в коробку для ланча. В один день мама наливала туда яблочный сок, и за обедом я пил замечательный прохладный яблочный сок. В другой день она наливала туда сладкий суп, и на обед я ел томатный суп. И я помню, что спрашивал тогда: «А откуда он знает, когда ему быть горячим, а когда – холодным?»…Где находится переключатель, одним словом. Или, аналогично, «всё подогревается в печи, а охлаждается в холодильнике – как эти вещи могут происходить одновременно?». В этом выпуске «Как это работает» вы можете узнать, как термос понимает, что ему делать.
Передача тепла:
Мы берём стакан холодного яблочного сока и миску горячего сладкого кукурузного супа и оставляем их на кухонном столе. Можно предположить, что произойдёт дальше: тарелка с супом остынет до кухонной температуры, а стакан с яблочным соком нагреется до кухонной температуры. Это термодинамический закон жизни – если мы ставим рядом друг с другом две вещи с разными температурами, тогда передача тепла приведёт их к одной и той же температуре. Так что «кухня» и «тарелка горячего сладкого кукурузного супа» приводятся к одной температуре посредством процесса теплопередачи – кухня становится немного теплее, а тарелка с супом очень сильно остывает. Если мы хотим сохранять теплоту горячего сладкого кукурузного супа настолько, насколько возможно – если мы хотим замедлить естественный процесс теплопередачи настолько, насколько мы можем – мы должны замедлить те три процесса, которые являются причиной передачи тепла. Эти процессы:
Проводимость:
Давайте начнём с простого вопроса: что такое тепло? Тепло – это движение атомов.
Самым лучшим доказательством этого феномена будет опыт, при котором берётся металлическая палочкой, а один из её концов нагревается. Другой конец будет становиться теплее, а затем станет горячим благодаря проводимости. Когда Вы кладёте металлический стержень на камин, он становится горячим изнутри благодаря проводимости, действовавшей через поверхность этого стержня. Некоторые вещи (а именно, металлы) становятся лучшими проводниками металла, чем другие (к примеру, дерево).
Радиация:
Наши глаза не могут видеть инфракрасных лучей, но наша кожа может чувствовать их.
Конвекция:
Конвекция является свойством жидкости и газов. Так происходит, потому что когда жидкость или газ нагревается, она стремится подняться над остальной частью жидкого или газообразного тела. Так что, если у вас на столе стоит тарелка с горячим супом, он нагревает и слой воздуха вокруг тарелки. Затем этот слой поднимается, потому что он более горячий, чем окружающий его воздух. Холодный воздух опускается на то место, которое покинул горячий воздух. Затем новый слой холодного воздуха нагревается и поднимается, а затем этот цикл повторяется. Возможно и ускорение конвекции – вот почему Вы дуете на горячий суп, чтобы остудить его. Если бы конвекция не действовала, то Ваш суп оставался бы горячим на более долгое время, потому что, оказывается, воздух не очень хороший проводник тепла.
Мы можем наблюдать все три процесса теплопередачи, когда мы стоим перед костром: нам следовало бы, возможно, стоять по крайней мере в 15 футах от такого большого костра. То, что удерживает Вас на таком расстоянии, - это тепло, распространяющееся от огня благодаря тепловым излучениям. Пламя и дым взмывают вверх благодаря конвекции: воздух вокруг огня нагревается и поднимается. Место на 3 фута вокруг огня станет жарким, а это вызвано теплопроводимостью. Верхний слой почвы непосредственно нагревается (благодаря излучению), а затем тепло передаётся через слои грязи глубоко в землю. Чтобы создать хороший термос или термокружку, всё, что Вам нужно, - это уменьшить действие этих трёх передатчиков тепла настолько, насколько Вы можете.
Разработки моделей термосов:
Один из методов создания термоса или термокружки, схожей с контейнером, - взять наполненную напитком бутылку и обернуть её, ну например, пенопластом. Это попытка изоляции, основанная на двух основных принципах. Во-первых, пластик в пенопласте – не очень хороший проводник тепла. Во-вторых, воздух, сосредоточенный в пенопласте, ещё даже худший проводник тепла. В соответствии с этим конвекция замедляется. Благодаря тому, что воздух разбивается на крошечные пузырьки, другая вещь, пенопласт, в значительной степени уменьшает конвекцию внутри себя. Теплопередача через пенопласт оказывается по результату совсем слабой.
По-видимому, есть гораздо лучший изолятор, чем пенопласт: вакуум. Вакуум содержит в себе немного атомов. А в «идеальном вакууме» вообще не содержится атомов. Создать «идеальный вакуум» практически невозможно, но мы можем приблизиться к нему. Без атомов мы полностью избавляемся от теплопроводности и конвекции. То, что Вы обнаруживаете в термосе или термокружке – это стеклянная колба, содержащая в себе вакуум. Внутри стекло, и это стекло обеспечивает вакуум. Стеклянная оболочка может быть легко повреждена, поэтому она заключается в пластиковый или металлический корпус. Во многих термосах или термокружках мы фактически могли отвинтить и использовать эту стеклянную колбу вне устройства.
Так почему же суп в конце концов остывает? Вы можете найти на основе этого примера два предмета для передачи тепла. Тот, что побольше, - это крышка. Другой – это стекло, которое обеспечивает проводимость в верхней части вакуумной колбы, где сходятся внутренние и внешние части прибора. И хотя проводимость тепла, согласно этим принципам, мала, она всё-таки не сводится к нулю.
Понимает ли термос, какое вещество находится в нём, горячее или холодное? Нет. Все изготовляемые термосы ограничивают теплопередачу стенками своего корпуса. Это позволяет веществу внутри устройства поддерживать свою температуру постоянной в течение долгого времени (независимо от того, низкая эта температура или высокая).
Сегодня колбы термосов производятся полностью из металла, а их температурные показатели не уступают термосам со стеклянными колбами. Термосы с металлической колбой и термокружки от компании Арктика сохранят температуру ваших продуктов на длительное время. |
|
