Термос

Термос (исто така познат како вакуумска посатка, Дјуарова посатка или Дјуарово шише) — изолирана посатка за складирање што значително го продолжува времето во кое неговата содржина останува потопла или поладна од околината. Оваа посатка ја измислил сер Џејмс Дјуар во 1892 година. Вакуумската посатка се состои од два садови, поставени еден во друг и поврзани на вратот. Воздухот е делумно испразнет од просторот помеѓу двата сада, создавајќи речиси вакуумска средина која значително го намалува преносот на топлина со спроводливост или конвекција.

Типичен дизајн на вакуумска посатка од брендот Thermos, што се користи за одржување на температурата на течности како што е кафето.

Лабораториска посатка Дјуар, Германски музеј, Минхен

Дијаграм на вакуумска посатка

Криогенска складишна Дјуарова посатка за течен азот, што се користи за снабдување со криогени замрзнувачи

Вакуумските садови се користат во домаќинството, за одржување на пијалaците топли или ладни подолг временски период и за многу намени во индустријата.

Историја

Посатката со двојни ѕидови на Густав Роберт Пален, 1. патент од 27 јуни 1908 година, кој бил објавен на 13 јули 1909 година

Вакуумскиот сад бил дизајниран и измислен од шкотскиот научник сер Џејмс Дјуар во 1892 година. Ова беше резултат на неговото истражување во областа на криогениката и затоа овој сад во негова чест понекогаш се нарекува Дјуаров сад. Додека спроведувал опити за одредување на специфичната топлина на елементот паладиум, Дјуар конструирал месингена комора што ја запечатил во друга комора за да го задржи паладиумот на саканата температура. Го извадил воздухот помеѓу двете комори, создавајќи делумен вакуум за да ја одржува температурата на содржината стабилна. Преку потребата за овој изолиран сад, Џејмс Дјуар ја создал вакуумската посатка, која станала важна алатка за хемиски опити и исто така стана вообичаен предмет за домаќинството. Шишето подоцна било развиено со користење на нови материјали како што се стакло и алуминиум, сепак, Дјуар одбил да го патентира својот изум.

Дјуаровиот дизајн бил брзо искористен за воведување трговски предмет во 1904 година, кога двајца германски производители на стакло, Рајнхолд Бургер и Алберт Ашенбренер, откриле дека тој може да се користи за одржување на температурата на ладните и топлите пијалаци. Дизајнот на Дјуаровата посатка не бил патентиран, но Германците кои ја откриле нејзината трговска примена, ја преименувале во „термос“ и следователно побарале права за комерцијален производ и заштитен знак за името. Во Дјуаровиот подоцнежен обид да воспостави права на пронајдокот, тој го загубил судскиот случај против претпријатието. Производството и одликите на термосот биле значително подобрени и усовршени од виенскиот пронаоѓач и трговец Густав Роберт Пален, кој дизајнирал различни видови термоси за домаќинство, кои исто така ги патентирал и широко ги продавал, преку неговите претпријатија за термос шишиња во САД и Канада. Името подоцна станало генерички бренд откако поимот „термос“ станал востановено име за таков сад за течности. Вакуумската посатка нашла употреба во многу различни видови научни опити, а комерцијалниот „термос“ станал вообичаен предмет. „Термос“ останува регистрирана трговска марка во некои земји, но бил прогласен за генеричка трговска марка во судски постапки во Соединетите Американски Држави во 1963 година. бидејќи станал колоквијален синоним за вакуумски шишиња во општа смисла.

Дизајн

Вакуумската посатка се состои од два сада, едниот сместен во другиот и поврзани на вратот. Во просторот помеѓу двата сада, воздухот е делумно изваден, што создава делумен вакуум кој ја намалува спроводливоста на топлината или конвекцијата. Преносот на топлина со топлинско зрачење може да се сведе на минимум со посребрување на површината на шишето што е свртена кон празнината, но тоа може да стане проблематично ако содржината на шишето или околината се многу жешки. Затоа, вакуумските посатки обично ја чуваат содржината под точката на вриење на водата. Најголем дел од преносот на топлина се одвива преку вратот и устата на садот, каде што нема вакуум. Вакуумските шишиња обично се направени од метал, боросиликатно стакло, пена или пластика, а нивните отвори се затворени со плута или полиетиленска пластика. Вакуумските шишиња често се користат како изолирани транспортни садови.

Неколку технолошки примени, како што се машините со работа на принцип на јадрена магнетна резонанција и магнетна резонанција, се засноваат на употребата на двојни вакуумски шишиња. Овие садови имаат два вакуумски делови. Внатрешниот сад содржи течен хелиум, а надворешното шише содржи течен азот, со вакуумски дел меѓу нив. На овој начин е ограничена загубата на скапоцениот хелиум.

За зголемување на ефикасноста на вакуумското шише биле направени и други промени: штитник од зрачење ладен со пареа и врат што се лади со пареа. И двете подобрувања помагаат да се намали испарувањето од шишето.

Истражување и индустрија

Во лабораториите и индустријата, вакуумските садови често се користат за чување на течни гасови (често LN2) за мигновено замрзнување, подготовка на примероци и други процеси што бараат одржување на крајно ниски температури. Поголемите вакуумски шишиња складираат течности што стануваат гасовити на значително пониски температури од околината, како што се кислородот и азотот. Во овој случај, пренесувањето топлина во крајно ладната внатрешност на шишето доведува до бавно испарување на течноста, па затоа е потребен тесен незаштитен отвор или затворен отвор заштитен со вентил за намалување на притисокот за да се спречи зголемување на притисокот и можно пукање на шишето. Изолацијата на шишето со вакуум доведува до многу бавно вриење и на тој начин содржината останува течна подолго време без опрема за ладење.

Вакуумските шишиња се користеле за сместување стандардни ќелии и Зенерови диоди, заедно со нивните печатени кола, во уреди за прецизно регулирање на напонот што се користат како електрични стандарди. Шишето помага при контрол ана Зенеровата температура во текот на долг временски период и се користела за намалување на варијацијата на излезниот напон на Зенеровиот стандард поради температурните флуктуации до неколку делови на милион.

Со оглед на начелото на функционирање на вакуумските шишиња, тие се идеални за складирање на одредени видови ракетно гориво. НАСА во текот на 1960-тите и 1970-тите години ги користела интензивно за погонските резервоари на ракетите за лансирање Сатурн.

Дизајнот и обликот на Дјуаровото шише се користеле како образец за оптички опити врз основа на идејата дека обликот на двете прегради со просторот меѓу нив е сличен на начинот на кој светлината удира во окото. Вакуумската посатка исто така била дел од опитите во кои се користела како кондензатор на различни хемикалии за да се одржуваат на постојана температура.

Индустриската Дјуарова посатка е основа за уред што се користи за пасивно изолирање на медицински пратки. Повеќето вакцини се чувствителни на топлина и системите со ладна верига мора да се одржуваат за да се одржуваат стабилни на температури блиску до замрзнување. Уредот Арктек користи осумлитарски блокови мраз за да ги задржи вакцините под 10 ° .

Термодинамика

Брзината на загуба на топлина (енергија) низ вакуумската посатка може да се анализира термодинамички, почнувајќи од вториот T dS сооднос:

${\begin{aligned}T\,dS&=dH-V\,dP\\T_{\text{surr}}\,\Delta S&=mc_{\mathrm {p} }\,\delta T-V\,dp\end{aligned}}$

Претпоставувајќи постојан притисок во текот на процесот,

$T_{\text{surr}}\Delta S=c_{\mathrm {p} }\left(T_{\mathrm {b} '}-T_{\mathrm {c} }\right)$

Преуредување на равенката во однос на температурата на надворешната површина на внатрешниот ѕид на вакуумското шише,

$T_{\mathrm {b} '}=T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{\mathrm {p} }}}$

Каде

• T_surr е температурата на околниот воздух
• ΔS е промената на специфичната ентропија на нерѓосувачкиот челик
• c е специфичен топлински капацитет на нерѓосувачки челик
• T_c е температурата на течноста содржана во посатката
• T_b′ е температурата на надворешната површина на внатрешниот ѕид на вакуумското шише

Сега ќе го разгледаме го општиот израз за загуба на топлина поради зрачење:

$Q'_{0}=A\varepsilon \sigma \left(T^{4}-T_{0}^{4}\right)$

Во случај на вакуумска посатка,

$Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(T_{\mathrm {b} '}^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)$

Заменувајќи го претходниот израз за ,

$Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(\left(T_{c}+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{p}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)$

каде

• Q′₀ е брзината на пренос на топлина со зрачење низ вакуумскиот дел од посатката
• A_in е површината на надворешната страна на внатрешниот ѕид на шишето
• ε_ss е емисивноста на нерѓосувачки челик
• σ е Штефан-Болцмановата константа

Под претпоставка дека надворешната површина на внатрешниот ѕид и внатрешната површина на надворешниот ѕид на вакуумското шишето се обложени со полирано сребро за да се намали загубата на топлина поради зрачење, може да се каже дека стапката на апсорпција на топлина на внатрешната површина на надворешниот ѕид е еднаква на моќта на апсорпција на полираното сребро помножена со топлината зрачена од надворешната површина внатрешниот ѕид,

$\alpha Q'_{0}=Q'_{\text{in}}$

За да се одржи енергетскиот баланс, топлината што се губи низ надворешната површина на надворешниот ѕид мора да биде еднаква на топлината што ја апсорбира внатрешната површина на надворешниот ѕид,

$Q'_{\text{in}}=Q'_{\text{out}}$

Заради тоа што апсорптивноста на полираното сребро е иста како и неговата емисивност, може да се напише:

$Q'_{\text{total}}=Q'_{\text{out}}+Q'_{\text{lid}}$

Мора да се земе предвид и стапката на загуба на топлина преку капачето на вакуумското шише (под претпоставка дека е направено од полипропилен, обична пластика) каде што нема вакуум внатре во материјалот. Во овој дел на посатката, постојат три начини на пренос на топлина: спроводливост, конвекција и зрачење. Затоа, стапката на загуба на топлина преку капачето ќе биде:

${\begin{aligned}Q'_{\text{lid}}&=Q'_{\text{cond}}+Q'_{\text{conv}}+Q'_{\text{rad}}\\&=kA_{\text{lid}}\left({\frac {T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}}{\Delta x}}\right)+hA_{\text{lid}}\left(T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}\right)+A_{\text{lid}}\varepsilon _{\text{pp}}\sigma \left(\left(T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S_{\text{pp}}}{c_{\mathrm {p} }^{\text{pp}}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)\end{aligned}}$

каде што се заменува секој од изразите за секоја компонента во равенката.

• k е топлинската спроводливост на воздухот
• h е коефициентот на конвективен пренос на топлина на слободниот воздух
• ε_pp е емисивноста на полипропиленот
• A_lid е надворешната површина на капакот
• cpp
  p е специфичен топлински капацитет на полипропилен
• ΔS_pp е специфичната ентропија на полипропилен
• Δx е растојанието на кое се одвива спроводливоста низ температурниот градиент

Вкупната стапка на загуба на топлина е еднаква на збирот од стапката на загуба на топлина низ ѕидовите на вакуумската посатка и стапката на загуба на топлина низ капачето:

$S'_{\text{gen}}={\frac {Q'_{\text{total}}}{T_{\text{surr}}}}$

каде што се заменува секој од изразите за секоја компонента во равенката.

Стапката на генерирање ентропија на овој процес, исто така, може да се пресмета, почнувајќи од балансот на ентропијата:

$\Delta S_{\text{system}}=S_{\text{in}}-S_{\text{out}}+S_{\text{gen}}$

Напишано во облик на брзина,

$\Delta S'_{\text{system}}=S'_{\text{in}}-S'_{\text{out}}+S'_{\text{gen}}$

Претпоставувајќи процес во стабилна состојба,

${\begin{aligned}-\int {\frac {1}{T_{\text{surr}}}}\,dQ'+S'_{\text{gen}}&=0\\\Rightarrow S'_{\text{gen}}&={\frac {Q'_{2}-Q'_{1}}{T_{\text{surr}}}}\end{aligned}}$

Бидејќи не се додава топлина во системот,

$S'_{\text{gen}}={\frac {Q'_{\text{total}}}{T_{\text{surr}}}}$

Литература

• Burger, R., Патент-САД 872795, "Double walled vessel with a space for a vacuum between the walls," December 3, 1907.
• Sella, Andrea (avgust 2008). „Dewar's Flask“. Chemistry World: 75. Посетено на 30. 8. 2008.

Надворешни врски

• Термос на Ризницата ^?