I dette blogginnlegget skal vi ta en titt på vitenskapen bak hvordan termoser blokkerer ledning, konveksjon og stråling.
De holder kalde drikker kalde og varme drikker varme. Den allestedsnærværende termosen ble oppfunnet for over hundre år siden i 1881, først av Weinhold, deretter av James Dewar i 1892, og er fortsatt i bruk i dag. Den ble opprinnelig kalt Dewar-flasken etter oppfinneren James Dewar.
Termoser ser ut til at de kan holde til mye drikke, men når du setter dem i, holder de ikke så mye som du tror. Hvorfor holder de så lite? La oss ta en titt på hvordan en termos beskytter drikken din, dens struktur og de tre måtene varme overføres på.
For det første er varme strømmen av energi fra et stoff med høyere temperatur til et stoff med lavere temperatur når to gjenstander med forskjellige temperaturer kommer i kontakt. Det er tre måter denne varmen kan overføres på. Konduksjon, konveksjon og stråling, med ledning og konveksjon som skjer når det er et medium som varme kan overføres gjennom, og stråling som skjer uten et medium.
For eksempel, når du slukker en brann, er det tre måter å gjøre det på. Den første er at brannmenn kjører over med bøtter med vann og slukker brannen for hånd. Den andre måten, hvis du har nok brannmenn, er å stille deg i kø og sende bøttene rundt for å slukke brannen. Den siste metoden er å slukke brannen direkte ved å skyte vann fra en slange fra en brannbil. Tenk på brannmenn som et varmeoverføringsmedium og vann som varmen. Den første og andre metoden tilsvarer varmeoverføring via henholdsvis konveksjon og ledning. Den siste metoden som er nevnt kan tenkes som stråling, hvor varme overføres uten medium.
La oss se nærmere på hver av disse metodene mer detaljert, og hvordan de forholder seg til strukturen til en termos.
Ledning er overføring av varme fra en høyere temperatur til en lavere temperatur uten å involvere bevegelse av et stoff (medium). Målingen på hvor godt et materiale kan overføre varme kalles dets 'varmeledningsevne' – jo mindre verdi, desto dårligere leder objektet varme. Dette er unikt for hvert materiale og er generelt mindre for faste stoffer, væsker og gasser, i den rekkefølgen. Faste stoffer har flere molekyler per volumenhet enn væsker eller gasser fordi de er bedre i stand til å overføre varme gjennom molekylene sine. Ledning skjer ikke i et vakuum.
Også blant faste stoffer er metaller de beste varmelederne fordi de har flere frie elektroner, noe som gir mulighet for ytterligere varmeledning. For eksempel, når du koker en gryte med lapskaus, blir en metalløse raskt varm, mens en tresleiv varmes sakte opp. Dette skjer fordi den termiske ledningsevnen til metall er mye større enn for tre.
Termoser gjør flasken til en dobbeltvegget struktur slik at drikken ikke påvirkes av utetemperaturen på grunn av ledning. Ved å etterlate et tomt rom mellom den doble strukturen, skaper den et middels fritt vakuum for å minimere varmetapet.
Varmeoverføring ved konveksjon er et fenomen som vanligvis oppstår i væsker, hvor molekyler i en væske overfører varme gjennom diffusjon. Når du varmer opp en væske, fører forskjellen i tetthet til at de varmere delene stiger til toppen, og de kaldere delene fylles på plass, skaper en sirkulasjon og varmer opp hele væsken. Et eksempel på konveksjon er når du slår på en komfyr og varm luft stiger til toppen og kjøligere luft faller til bunnen og varmer opp hele rommet.
En termos bruker et vakuum for å forhindre varmeledning, som også forhindrer varmetap på grunn av konveksjon fordi det ikke er noe medium for at det skal oppstå.
Til slutt er stråling frigjøring av varme fra en høyere temperatur til en lavere temperatur via elektromagnetiske bølger, uten et medium til å bære varmen. Fordi det ikke krever et medium, er stråling den raskeste av de tre varmeoverføringsmetodene. Det nærmeste eksempelet er solenergi. Solen overfører varme til jorden ved å sende ut strålingsenergi i form av infrarødt, ultrafiolett og synlig lys. Når strålingsenergi treffer et objekt, reflekteres noe av det og noe absorberes, noe som forårsaker en endring i objektets temperatur. En svart overflate absorberer energi bedre, mens en lys eller skinnende overflate reflekterer energi bedre.
Termosen hindrer konveksjon og ledning i vakuum, men stråling forekommer likevel. For å hindre at stråling påvirker temperaturen på drikken, er innsiden av termosen belagt med polert sølv for å reflektere strålingen. Denne metoden brukes også på satellitter, som er følsomme for temperatur, så overflatene deres er belagt med sølv eller gull for å blokkere solstråling.
Det er ikke bare drikken inne i termosen som lar oss nyte varme eller kalde drikker lenger, men også den vitenskapelige ideen om å forhindre varmeoverføring, som ledning, konveksjon og stråling. De siste årene, med bevegelsen for å redusere bruken av engangsprodukter, har mange brukt termoser for å hjelpe miljøet. Vakuumstrukturen til termosen brukes også på vakuumisolerte vinduer i boliger.
Dette blogginnlegget startet med spørsmålet "Hvorfor inneholder en termos bare en liten mengde drikke?" Det førte oss til å utforske de vitenskapelige lovene for varmeoverføring. Ville det ikke vært interessant å finne ut hvilke andre vitenskapelige prinsipper som skjuler seg i hverdagslige gjenstander?
