За способностью термоса долго сохранять температуру напитков скрывается продуманная конструкция, сочетающая в себе научные принципы и практическую пользу. Его секрет в уникальной конструкции колбы с двойными стенками, между которыми создан вакуум, а также в специальном отражающем покрытии, сводящем теплообмен с окружающей средой к минимуму.
Тепло и холод под контролем
Когда речь заходит о сохранении температуры напитка, будь то горячий чай в холодный день или же, наоборот, прохладная вода, чтобы освежиться, первым делом в голову приходит термос — простой сосуд с уникальным свойством сохранять температуру жидкости внутри себя длительное время. На первый взгляд, это просто сосуд, который многие из нас периодически используют. Но за его стенками разворачивается скрытая борьба с законами теплообмена. Конечно, чаще всего речь идет о сохранении именно теплой температуры, но устройство термоса таково, что и с холодными жидкостями внутри не будет происходить быстрых изменений температур.
Термос пригождается в походах, дальних поездках и даже в быту: например, когда люди знают о плановом отключении электричества, они могут заранее наполнить термос кипятком, чтобы их утро началось с горячего чая. Этот сосуд отлично подходит не только для напитков, но и для супов, каш и даже некоторых блюд. Кажется совершенно обычным, что содержимое в термосе не остывает часами — раз термос, значит, содержимое будет теплым. Но как именно он удерживает тепло? Немногие задумываются об устройстве такого приспособления, а ведь если знать, как оно работает и каким образом удерживает тепло, то можно лучше понимать, как сохранить температуру дольше и избежать быстрого остывания содержимого.
Интересно, что изначально термос создавался вовсе не для горячих напитков. В XIX веке ученые столкнулись с проблемой хранения жидких газов, которые без постоянной низкой температуры быстро испарялись. Шотландский исследователь Джеймс Дьюар в 1892 успешно реализовал идею двойных колб, дополнительно покрыв внутреннюю поверхность отражающим слоем серебра. Этот вакуумный сосуд позволил ему первым в мире сохранить жидкий и даже твердый водород. Сжиженные газы хранятся при очень низких температурах, поэтому предок термоса, который сейчас чаще используется для сохранения тепла, изначально был сделан для сохранения холода.
В 1903 году берлинский мастер-стекольщик Райнхольд Бургер усовершенствовал изобретение Дьюара. Точной задокументированной причины, почему Бургер налил в дюаровскую колбу кипяток, в исторических источниках нет — но есть логичное и правдоподобное объяснение. Бургер был не только стеклодувом, но и изобретателем и экспериментатором, который занимался созданием и совершенствованием различных приборов. Он понимал теплоизоляционные свойства колбы с двойными стенками и специальным покрытием. Предположительно, он просто задумался: если колба может так эффективно сохранять холод, то почему бы не попробовать — сохранит ли она и тепло? Он налил туда горячую воду и убедился, что конструкция работает в обе стороны: вакуум между стенками препятствует и потере тепла, и его проникновению. Это открытие подтолкнуло Бургера к патенту и запуску массового производства термосов. Чтобы сделать сосуд удобным для бытового использования, он добавил металлический корпус, пробку и крышку-стакан. Также Бургер укрепил внутреннюю колбу, которая прежде из-за слабой фиксации легко ломалась при активной эксплуатации.
Принцип работы термоса простыми словами
Самое основное в устройстве термоса — его теплоизоляция и минимизация теплопередачи, то есть его защита от излишнего теплообмена с окружающим миром за счет его внутреннего устройства. Если мы нальем кипяток в чашку, то тепло от воды будет передаваться как чашке, так и воздуху, в результате чего вода постепенно остынет. В термосе происходит тот же самый процесс с тем лишь отличием, что он сильно замедлен. Если налить кипяток в термос, то он все же будет остывать, но этот процесс будет длиться гораздо дольше, чем в примере с чашкой.
Принцип теплообмена в том, что тело с более высокой температурой передает тепло телу с температурой ниже. При этом существуют три вида теплопередачи.
Теплопроводность — это процесс, или способность переноса тепловой энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемого хаотически движущимися частицами тела (молекулами, атомами). Получая тепловую энергию извне, частицы вещества начинают интенсивнее колебаться и, взаимодействуя с соседними частицами, передают им часть полученного потенциала.
Конвекция — способ передачи теплоты, при котором энергия переносится при перемещении слоев жидких или газообразных веществ. Примером конвекции является отопительная система в любом помещении. Радиатор нагревается, а воздух вокруг становится горячим и поднимается вверх. Холодный же воздух опускается вниз. То есть тепло переносится в соответствии с циркуляцией воздуха.
Излучение — вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью электромагнитных волн. Примером излучения послужит любая настольная лампа. Если ее зажечь и подождать некоторое время, можно почувствовать исходящее от нее тепло.
Теплообмен будет происходить до тех пор, пока взаимная температура обоих тел не выровняется. Это происходит либо непосредственно при контакте двух обозначенных тел, либо через посредника. Разберем, как в примере с чашкой реализуются обозначенные виды теплообмена.
Теплопроводность — молекулы воды передают энергию материалу чашки, а та, в свою очередь, отдает тепло поверхности, на которой стоит (стол или подставка).
Конвекция — нагретый воздух у поверхности воды поднимается вверх, унося с собой тепловую энергию, а его место занимает более холодный воздух.
Излучение — нагретые стенки чашки и сама вода испускают инфракрасные волны, теряя энергию даже без прямого контакта с холодными предметами.
Секрет термоса: конструкция, которая держит температуру
Устройство термоса учитывает обозначенные виды теплообмена и притупляет их действие. По сути, термос это колба в колбе с общим горлышком. Колбы сделаны из стекла или нержавеющий стали. Из пространства между колбами откачан воздух — там вакуум, то есть безвоздушное пространство, где нет никаких частиц. Перемещаться там попросту нечему, следовательно, отсутствует теплопроводность, а заодно с ней и конвекция. Излучение берет на себя поверхность колб. Если посмотреть внутрь термоса, можно увидеть, что она зеркальная. Именно этот зеркальный слой отражает излучение и возвращает его энергию обратно содержимому термоса. А в случае с холодом «зеркало» препятствует проникновению тепла из окружающей среды.
За счет комбинации безвоздушного пространства и зеркальных стенок теплообмен с окружающей средой сведен к минимуму, а потому содержимое термоса сохраняет свою температуру очень долго. Тем не менее со временем мы можем наблюдать процесс остывания содержимого термоса. Несмотря на все ухищрения современных инженеров, полностью изолировать содержимое термоса от внешнего мира невозможно. Стенки колбы, хоть и сделаны из специальных материалов, все равно понемногу пропускают тепло, особенно в тех местах, где они соединяются друг с другом. Например, там, где есть резьба или уплотнители, всегда остаются микроскопические зазоры, через которые тепло может уходить. Крышка термоса, хоть и кажется плотной, тоже вносит свою лепту — она обычно из пластика или другого легкого материала, который, конечно, хуже проводит тепло, чем металл, но все же не является абсолютным изолятором. Через нее может происходить движение воздуха, а значит, осуществляться теплообмен.
Кроме того, даже самое лучшее зеркальное покрытие не отражает все тепло без остатка — какая-то часть инфракрасных лучей все равно ускользает, особенно если разница температур внутри и снаружи термоса очень большая. Вакуум между стенками близок к идеальному, но зачастую не всегда абсолютный — там могут остаться крошечные частицы газа, которые, хоть и в малой степени, но участвуют в передаче тепла. Все это вместе приводит к тому, что термос не может сохранять температуру бесконечно, а лишь замедляет процесс остывания или нагревания.
Однако, зная основные принципы использования термоса, можно сохранить тепло или прохладу содержимого как можно дольше. Разберем на примере сохранения горячего напитка.
Для лучшего эффекта следует изначально прогреть внутреннюю колбу, чтобы далее залитый напиток не отдавал ей свое тепло. То есть лучше всего в колбу изначально налить кипяток, а по прошествии нескольких минут уже наливать напиток, близкий к температуре кипения. Термос следует заполнять целиком, ведь если будет хотя бы небольшая воздушная прослойка, то тепло напитка будет тратиться на ее обогрев, а следовательно, сам напиток быстрее остынет. И наконец, чем реже отвинчивается крышка термоса, тем дольше он будет держать тепло, ведь так сокращается воздействие внешней среды на внутренность и вновь не запускается дополнительный теплообмен. Советуют брать термос с винтовой крышкой, пара оборотов которой (а не снятие полностью) позволит добраться до содержимого.
Типы термосов: какие бывают и чем отличаются
Сейчас многообразие термосов и схожих приспособлений поражает воображение. Существует множество способов классифицировать термосы — их можно делить по объему, материалу корпуса (нержавейка, пластик или тритан), объему и другим техническим характеристикам. Но если говорить о действительно полезной классификации, то лучше всего группировать термосы по их прямому назначению, ведь именно от этого зависит, насколько удобно и эффективно вы сможете их использовать в повседневной жизни.
Для тех, кто всегда в движении и ценит компактность, идеально подойдет термокружка — ее можно легко открывать одной рукой, она помещается в подстаканник автомобиля или боковой карман рюкзака. Такой вариант прекрасно подходит для индивидуального использования, когда нужно взять с собой любимый напиток на прогулку, в офис или на тренировку.
Если же речь идет о более масштабных мероприятиях — пикнике с друзьями, семейном отдыхе на природе или длительной поездке — тогда стоит обратить внимание на классические термосы разных размеров. Они могут быть рассчитаны и на одного человека, и на целую компанию в зависимости от выбранного объема. Главное их преимущество — универсальность и способность долго сохранять температуру содержимого.
Отдельного внимания заслуживают термосы для еды с широким горлом — это настоящая находка для тех, кто любит брать с собой горячие обеды или хочет сохранить температуру первых блюд. Их конструкция позволяет не только удобно наливать жидкие блюда, но и без проблем извлекать густую пищу. Такие термосы незаменимы в походах, на работе или в любых других ситуациях, когда нужно сохранить еду теплой на протяжении нескольких часов.
Как выбрать термос под свои задачи
Выбор термоса зависит от ваших планов и образа жизни. Для городских прогулок, коротких вылазок или работы в офисе идеальна термокружка — компактная и легкая. Настоящий походный термос (объем подбирается по количеству участников) незаменим в длительных путешествиях. Обратите внимание на конструкцию крышки: винтовой механизм, позволяющий наливать напиток без полного открывания, значительно продлевает сохранение температуры. Для еды выбирайте модели с широким горлышком — так удобнее есть прямо из емкости.
Грамотно подобранный термос и соблюдение простых правил эксплуатации гарантируют, что ваши напитки и еда всегда будут под рукой с нужной температурой. Жестких границ нет: походный термос может отлично служить и в городе. Главное — понимать его возможности и использовать с умом.
