Вакуумная колба (также известная как сосуд Дьюара , бутылка Дьюара или термос ) — это изолирующий сосуд для хранения, который замедляет скорость изменения температуры своего содержимого. Он значительно увеличивает время, в течение которого его содержимое остается горячее или холоднее, чем окружающая среда колбы, пытаясь быть максимально адиабатичным . Изобретенный Джеймсом Дьюаром в 1892 году, вакуумная колба состоит из двух колб, помещенных одна в другую и соединенных горлышком. Из зазора между двумя колбами частично откачан воздух, что создает почти вакуум , что значительно снижает теплопередачу за счет проводимости или конвекции . При использовании для хранения холодных жидкостей это также фактически исключает конденсацию на внешней стороне колбы.
Термосы используются в быту для сохранения содержимого внутри горячим или холодным в течение длительного времени. Они также используются для тепловой обработки пищи . Термосы также используются для многих целей в промышленности.
Вакуумная колба была разработана и изобретена шотландским ученым Джеймсом Дьюаром в 1892 году в результате его исследований в области криогеники и иногда называется колбой Дьюара в его честь. Проводя эксперименты по определению удельной теплоемкости элемента палладия , Дьюар сделал латунную камеру, которую он заключил в другую камеру, чтобы поддерживать палладий при желаемой температуре. [1] Он откачал воздух между двумя камерами, создав частичный вакуум, чтобы поддерживать стабильную температуру содержимого. Дьюар отказался патентовать свое изобретение; это позволило другим разработать колбу с использованием новых материалов, таких как стекло и алюминий , и она стала важным инструментом для химических экспериментов, а также обычным предметом домашнего обихода. [1]
Дизайн Дьюара быстро превратился в коммерческий продукт в 1904 году, когда два немецких стеклодува , Рейнхольд Бургер и Альберт Ашенбреннер, обнаружили, что его можно использовать для сохранения холодных напитков холодными, а теплых — теплыми, и изобрели более прочную конструкцию колбы, которая подходила для повседневного использования. [2] [3] Дизайн колбы Дьюара никогда не был запатентован, но немцы, которые обнаружили коммерческое использование продукта, назвали его Термос и впоследствии заявили права как на коммерческий продукт, так и на торговую марку на это название. В своей последующей попытке заявить права на изобретение Дьюар вместо этого проиграл судебное дело компании. [4] Производство и эксплуатационные характеристики бутылки Термос были значительно улучшены и усовершенствованы венским изобретателем и торговцем Густавом Робертом Пааленом, который разработал различные типы для бытового использования, которые он также запатентовал и широко распространял через компании Thermos Bottle Companies в Соединенных Штатах, Канаде и Великобритании, которые покупали лицензии для соответствующих национальных рынков. Компания American Thermos Bottle Company организовала массовое производство в Норвиче, штат Коннектикут , что снизило цены и позволило широко распространить продукцию для домашнего использования. [2] Со временем компания расширила размер, формы и материалы этих потребительских товаров, в основном используемых для переноски кофе на ходу и жидкостей в походах, чтобы они оставались горячими или холодными. В конце концов, другие производители стали выпускать аналогичные продукты для потребительского использования.
Термин «термос» стал нарицательным для термосов в целом. По состоянию на 2023 год [обновлять]Thermos и THERMOS остаются зарегистрированными товарными знаками в некоторых странах, включая США, [5] [6] [7], но строчная буква «термос» была объявлена обобщенным товарным знаком по решению суда в США в 1963 году. [8] [9] [10]
Вакуумная колба состоит из двух сосудов, один из которых помещен в другой и соединен горлышком. Из зазора между двумя сосудами частично откачан воздух, что создает частичный вакуум , который снижает теплопроводность или конвекцию . Передача тепла тепловым излучением может быть минимизирована путем серебрения поверхностей колбы, обращенных к зазору, но может стать проблематичной, если содержимое колбы или окружающая среда очень горячие; поэтому вакуумные колбы обычно удерживают содержимое ниже точки кипения воды. Большая часть теплопередачи происходит через горлышко и отверстие колбы, где нет вакуума. Вакуумные колбы обычно изготавливаются из металла , боросиликатного стекла , пены или пластика , а их отверстие закрывается пробкой или полиэтиленовым пластиком . Вакуумные колбы часто используются в качестве изолированных транспортных контейнеров .
Очень большие или длинные вакуумные колбы иногда не могут полностью поддерживать внутреннюю колбу только с помощью горлышка, поэтому дополнительная поддержка обеспечивается прокладками между внутренней и внешней оболочкой. Эти прокладки действуют как тепловой мост и частично снижают изолирующие свойства колбы вокруг области, где прокладка контактирует с внутренней поверхностью.
Несколько технологических приложений, таких как ЯМР и МРТ , полагаются на использование 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, ограничивается потеря драгоценного гелия.
Другие усовершенствования вакуумной колбы включают в себя охлаждаемый паром радиационный экран и охлаждаемое паром горлышко [11], оба из которых помогают уменьшить испарение из колбы.
В лабораториях и промышленности вакуумные колбы часто используются для хранения сжиженных газов (обычно жидкого азота с температурой кипения 77 К) для мгновенной заморозки, подготовки образцов и других процессов, где желательно создание или поддержание экстремально низкой температуры. В больших вакуумных колбах хранятся жидкости, которые становятся газообразными при температуре значительно ниже температуры окружающей среды, такие как кислород и азот ; в этом случае утечка тепла в чрезвычайно холодную внутреннюю часть бутылки приводит к медленному выкипанию жидкости, поэтому необходимо узкое незакрытое отверстие или закрытое отверстие, защищенное предохранительным клапаном , чтобы предотвратить нарастание давления и, в конечном итоге, разрушение колбы. Изоляция вакуумной колбы приводит к очень медленному «кипению», и, таким образом, содержимое остается жидким в течение длительного времени без холодильного оборудования.
Вакуумные колбы использовались для размещения стандартных ячеек и печных диодов Зенера , вместе с их печатной платой, в прецизионных устройствах регулирования напряжения, используемых в качестве электрических стандартов. Колба помогала контролировать температуру Зенера в течение длительного периода времени и использовалась для уменьшения колебаний выходного напряжения стандарта Зенера из-за колебаний температуры в пределах нескольких частей на миллион.
Одно из заметных применений было Guildline Instruments, Канада, в их Transvolt, модель 9154B, насыщенный стандартный элемент, который является стандартом электрического напряжения. Здесь посеребренная вакуумная колба была заключена в пенную изоляцию и, используя большую стеклянную вакуумную пробку, удерживала насыщенный элемент. Выход устройства составлял 1,018 вольт и поддерживался в пределах нескольких частей на миллион.
Принцип действия вакуумной колбы делает ее идеальной для хранения определенных видов ракетного топлива, и НАСА широко использовало ее в топливных баках ракет-носителей «Сатурн» в 1960-х и 1970-х годах. [12]
Конструкция и форма сосуда Дьюара использовались в качестве модели для оптических экспериментов, основанных на идее, что форма двух отсеков с пространством между ними подобна тому, как свет попадает в глаз. [13] Вакуумная колба также была частью экспериментов, в которых ее использовали в качестве конденсатора для различных химикатов, чтобы поддерживать их при постоянной температуре. [14]
Промышленный сосуд Дьюара является основой для устройства, используемого для пассивной изоляции медицинских грузов. [15] [16] Большинство вакцин чувствительны к теплу [17] [18] и требуют системы холодовой цепи для поддержания их при стабильных, близких к замерзанию температурах. Устройство Arktek использует восемь однолитровых ледяных блоков для хранения вакцин при температуре ниже 10 °C . [19]
В нефтегазовой промышленности сосуды Дьюара используются для изоляции электронных компонентов в приборах кабельного каротажа . [20] Обычные приборы каротажа (рассчитанные на температуру до 350 °F) модернизируются до высокотемпературных характеристик путем установки всех чувствительных электронных компонентов в сосуд Дьюара. [21]
Вакуумные колбы подвержены риску взрыва , а стеклянные сосуды под вакуумом, в частности, могут неожиданно разбиться. Сколы, царапины или трещины могут стать отправной точкой для опасного отказа сосуда, особенно когда температура сосуда быстро меняется (когда добавляется горячая или холодная жидкость). Правильная подготовка вакуумной колбы Дьюара путем закалки перед использованием рекомендуется для поддержания и оптимизации работы устройства. Стеклянные вакуумные колбы обычно устанавливаются на металлическое основание с цилиндром, заключенным в сетку, алюминий или пластик или покрытым ими, чтобы облегчить обращение, защитить его от физических повреждений и удерживать осколки в случае их разрушения. [ необходима цитата ]
Кроме того, криогенные сосуды Дьюара обычно находятся под давлением и могут взорваться, если не использовать клапаны сброса давления .
Тепловое расширение необходимо учитывать при проектировании вакуумной колбы. Внешние и внутренние стенки подвергаются воздействию разных температур и будут расширяться с разной скоростью. Вакуумная колба может разорваться из-за разницы в тепловом расширении между внешними и внутренними стенками. Компенсаторы обычно используются в трубчатых вакуумных колбах, чтобы избежать разрыва и сохранить целостность вакуума.
"Термос" LIVE Для:ДВУСТЕННЫЕ СТЕКЛЯННЫЕ СОСУДЫ С ВАКУУМОМ МЕЖДУ СТЕНКАМИ
"THERMOS" LIVE Для: сосудов, сохраняющих температуру
"ТЕРМОС" В ПРЯМОМ ЭФИРЕ Для: БУТЫЛОК, БАНОК, ГРАФИНОВ, ГРАФИНОВ, [ ФЛЯГ,] КОФЕЙНИКОВ, ЧАЙНИКОВ, КУВШИНОВ, КОМПЛЕКТОВ ДЛЯ ОБЕДА, КОРОБОК ДЛЯ ОБЕДА, ЧЕХЛОВ ДЛЯ БУТЫЛОК [ И ДВУХСТЕННЫХ ВАКУУМНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ СТЕКЛА, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В БУТЫЛКАХ, БАНКАХ, ГРАФИНАХ, КУВШИНАХ, ГРАФИНАХ, КОФЕЙНИКАХ И ЧАЙНИКАХ]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
Медиа, связанные с Термосы на Wikimedia Commons