W tym wpisie na blogu przyjrzymy się naukowym podstawom blokowania przewodzenia, konwekcji i promieniowania przez termosy.
Utrzymują zimne napoje zimne, a ciepłe ciepłe. Wszechobecny termos został wynaleziony ponad sto lat temu w 1881 roku, najpierw przez Weinholda, a następnie przez Jamesa Dewara w 1892 roku i jest nadal używany do dziś. Pierwotnie nazywał się butelką Dewara na cześć swojego wynalazcy, Jamesa Dewara.
Termosy wydają się być w stanie pomieścić wiele napojów, ale gdy je włożysz, nie mieszczą tak dużo, jak myślisz. Dlaczego mieszczą tak mało? Przyjrzyjmy się, jak termos chroni Twój napój, jego strukturze i trzem sposobom przekazywania ciepła.
Po pierwsze, ciepło to przepływ energii z substancji o wyższej temperaturze do substancji o niższej temperaturze, gdy dwa obiekty o różnych temperaturach wchodzą w kontakt. Istnieją trzy sposoby, w jakie ciepło to może być przenoszone. Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie, przy czym przewodzenie i konwekcja występują, gdy istnieje medium, przez które ciepło może być przenoszone, a promieniowanie występuje bez medium.
Na przykład, gasząc pożar, istnieją trzy sposoby. Pierwszy polega na tym, że strażacy biegną z wiadrami wody i gaszą ogień ręcznie. Drugi sposób, jeśli masz wystarczająco dużo strażaków, polega na ustawieniu się w szeregu i przekazywaniu sobie wiader, aby ugasić pożar. Ostatnia metoda polega na bezpośrednim gaszeniu pożaru poprzez strzelanie wodą z węża strażackiego. Wyobraź sobie strażaków jako medium przenoszące ciepło, a wodę jako ciepło. Pierwsza i druga metoda odpowiadają odpowiednio przenoszeniu ciepła przez konwekcję i przewodzenie. Ostatnią wymienioną metodę można postrzegać jako promieniowanie, w którym ciepło jest przenoszone bez medium.
Przyjrzyjmy się bliżej każdej z tych metod i temu, jak odnoszą się one do struktury termosu.
Przewodzenie to przenoszenie ciepła z wyższej temperatury do niższej temperatury bez angażowania substancji (medium). Miarą tego, jak dobrze materiał może przenosić ciepło, jest jego „przewodnictwo cieplne” – im mniejsza wartość, tym słabiej obiekt przewodzi ciepło. Jest to unikalne dla każdego materiału i jest generalnie mniejsze dla ciał stałych, cieczy i gazów, w tej kolejności. Ciała stałe mają więcej cząsteczek na jednostkę objętości niż ciecze lub gazy, ponieważ są w stanie lepiej przenosić ciepło przez swoje cząsteczki. Przewodzenie nie występuje w próżni.
Ponadto, wśród ciał stałych, metale są najlepszymi przewodnikami ciepła, ponieważ mają więcej swobodnych elektronów, co pozwala na dodatkowe przewodzenie ciepła. Na przykład, podczas gotowania garnka z gulaszem, metalowa chochla nagrzewa się szybko, podczas gdy drewniana chochla nagrzewa się powoli. Dzieje się tak, ponieważ przewodność cieplna metalu jest znacznie większa niż drewna.
Termosy sprawiają, że butelka ma strukturę z podwójnymi ściankami, dzięki czemu napój nie jest narażony na wpływ temperatury zewnętrznej z powodu przewodzenia. Pozostawiając pustą przestrzeń między podwójną strukturą, tworzy próżnię bez medium, aby zminimalizować utratę ciepła.
Przenoszenie ciepła przez konwekcję to zjawisko, które zwykle występuje w płynach, gdzie cząsteczki w płynie przenoszą ciepło poprzez dyfuzję. Gdy podgrzewasz płyn, różnica gęstości powoduje, że cieplejsze części unoszą się do góry, a chłodniejsze części zajmują ich miejsce, tworząc cyrkulację i ogrzewając cały płyn. Przykładem konwekcji jest sytuacja, gdy włączasz piecyk i ciepłe powietrze unosi się do góry, a chłodniejsze opada na dół, ogrzewając całe pomieszczenie.
Termos wykorzystuje próżnię, aby zapobiec przewodzeniu ciepła, co również zapobiega utracie ciepła na skutek konwekcji, gdyż nie ma ośrodka, w którym mogłoby do niej dojść.
Wreszcie promieniowanie to uwalnianie ciepła z wyższej temperatury do niższej temperatury za pomocą fal elektromagnetycznych, bez ośrodka, który mógłby przenosić ciepło. Ponieważ nie wymaga ośrodka, promieniowanie jest najszybszą z trzech metod przenoszenia ciepła. Najbliższym przykładem jest energia słoneczna. Słońce przenosi ciepło na Ziemię, emitując energię promieniowania w postaci podczerwieni, ultrafioletu i światła widzialnego. Kiedy energia promieniowania uderza w obiekt, część z niej zostaje odbita, a część pochłonięta, co powoduje zmianę temperatury obiektu. Czarna powierzchnia lepiej pochłania energię, podczas gdy jasna lub błyszcząca powierzchnia lepiej odbija energię.
Termos zapobiega konwekcji i przewodzeniu w próżni, ale promieniowanie nadal występuje. Aby zapobiec wpływowi promieniowania na temperaturę napoju, wnętrze termosu jest pokryte polerowanym srebrem, aby odbijać promieniowanie. Tę metodę stosuje się również w przypadku satelitów, które są wrażliwe na temperaturę, więc ich powierzchnie są pokryte srebrem lub złotem, aby blokować promieniowanie słoneczne.
Nie tylko napój w termosie pozwala nam dłużej cieszyć się gorącymi lub zimnymi napojami, ale także naukowa idea zapobiegania przenoszeniu ciepła, takiemu jak przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. W ostatnich latach, wraz z ruchem na rzecz ograniczenia stosowania produktów jednorazowego użytku, wiele osób używa termosów, aby pomóc środowisku. Struktura próżniowa termosu jest również stosowana w izolowanych próżniowo oknach w domach.
Ten wpis na blogu rozpoczął się od pytania: „Dlaczego termos mieści tylko niewielką ilość napoju?” Skłoniło nas to do zbadania naukowych praw przenoszenia ciepła. Czy nie byłoby ciekawie dowiedzieć się, jakie inne zasady naukowe kryją się w codziennych przedmiotach?
