Аннотация: Содержание соответствует названию. Если коротко, то "физика в жизни".
Лекция о термосах
прочитанная Земляком в конференции fishing.ru перед зимним сезоном 2002-го года
Ну-уу, за термосы!
То, что я напишу дальше, большинству покажется очевидным, но возможно некоторым,
забывшим школьную физику - откровением.
Народ тут у нас разный, потому начнем "с центра поля".
Итак, маленький опус по термодинамике и механике в их приложении к термосам.
Как известно, тепловая энергия есть энергия хаотического движения молекул в жидкостях и газах или энергия колебаний атомов в твердых телах. Существует несколько основных физических механизмов передачи (и, в частности, потери) тепловой энергии:
Теплопроводность. Более быстрые "горячие" молекулы, сталкиваясь с более медленными "холодными", ускоряют их, а сами замедляются. "Подогревшиеся" молекулы, в свою очередь, сталкиваясь с более "холодными" из внешнего слоя, отдают часть энергии им и т.д. Таким образом, за счет столкновений молекул, более теплая часть вещества остывает, а более его холодная часть нагревается. (Тут бы про энтропию еще залепить, но не будем морочить голову почтенной публике :-)) ).
Тепловое излучение. Колеблющиеся атомы и сталкивающиеся молекулы возбуждают вокруг себя электромагнитные волны, обычно инфракрасного диапазона. Часть тепловой энергии вещества при этом уходит в энергию волн, волна убегает и вещество становится более холодным. В свою очередь, если волна встречает на своем пути вещество, она, поглощаясь, может передать ему энергию и разогреть его. (Рассмотрение квантовых механизмов этой дребедени, разных там "температур излучения" и т.д. также опустим :-) )
Потери тепловой энергии за счет испарения (без кипения). Наиболее быстрые молекулы вылетают из жидкости, образуя над её поверхностью пар. В жидкости же остаются более медленные молекулы, следовательно, имеет место потеря тепла.
Конвекция. Сей механизм работает только в жидкостях и газах. Если в нижней части сосуда жидкость более теплая, чем в верхней, то за счет расширения при нагревании, эта более теплая жидкость является и более легкой. Само собой, она начинает всплывать вверх, унося туда тепло. И если наверху этому теплу есть куда уходить, вся жидкость в сосуде рано или поздно остынет.
Для тех, кто сумел дочитать до этого места :-), рассмотрим, как эти вышеперечисленные механизмы передачи тепла блокируются в устройстве, именуемом в народе термосом.
Классическая термосная колба изобретена Джеймсом Дьюаром в 1898 г. с целью хранения
сжиженных газов. Колба представляет собой две с зазором вложенные друг в друга стеклянные
бутыли. Соединение бутылей между собой осуществлено в зоне горлышек. Дно и стенки бутылей
не соприкасаются.
Механизм потери тепла через теплопроводность блокирован с помощью откачки воздуха из
пространства между бутылями. Если теплопроводность это столкновения, то лучший способ
защиты - убрать то, с чем можно сталкиваться. Остается лишь та доля теплопроводности в
стекле, которая перемещает тепло потихонечку, по стеклу стенки внутренней бутыли к месту её соединения у горлышка, а затем уже к внешней бутыли и от её стенки наружу. Поскольку стекло - не металл, собственная теплопроводность его маленькая, то потери эти невелики. В этом и заключается существенное преимущество стеклянной колбы в сравнении с металлической.
Теплопотери за счет излучения блокируются с помощью покрытия стенок бутыли зеркальным слоем - напылённым на стенки со стороны вакууммированной части колбы серебром или алюминием. Излучение отражается от стенок, поглощается теми же "родными" молекулами и тепло остается внутри колбы.
Потери за счет испарения устраняются совсем просто. Достаточно закрыть горлышко любой плотной пробкой. Тогда пар над жидкостью быстро становится насыщенным, т.е. сколько молекул из жидкости вылетело, столько же туда и вернулось, и охлаждение жидкости прекращается. ( Кстати. Если объём над жидкостью большой, то для его заполнения требуется больше пара. Отчасти поэтому полный термос стынет медленнее, чем полупустой. )
Для устранения конвекционных потоков жидкости надо, чтобы в верхней части сосуда тепло уходило как можно меньше. Для этого требуется уже не просто пробка, как в случае 3, а толстая пробка из материала с низкой теплопроводностью. Её-то и используют.
Вот такая она сложная фиговина, эта простая штука - термос :-).
Кто еще вытерпел, поехали дальше. Рассмотрим теперь механические процессы, происходящие при ударе заполненного термоса, а также меры, позволяющие минимизировать последствия этих ударов.
Положение термоса в ящике. Возьмите бутылку пива и удерживая её пальцами за пробку в
горизонтальном положении попробуйте слегка задеть ей обо что-нибудь. Если бутылка даже и не
вырвалась из рук, то уж усилие в пальцах наверняка ощутить удалось. Примерно такие же усилия
прилагаются к внутренней бутыли колбы термоса в районе её горлышка в случае горизонтального
положения оной. Внутренняя (заполненная) бутыль, находясь в положении "лёжа" получается
консольно закрепленной за горлышко внутри внешней. Возникающий при ударе изгибающий момент
ломает колбу в области горловины. Короче. Хочешь сберечь термос - не клади его заполненным на бок,
а ставь только вертикально. Стекло на растяжение работает хоть и хуже, чем на сжатие, но гораздо
лучше, чем на изгиб.
Ну, ладно. Пусть термос поставлен вертикально, находится в ящике на плече рыболова и вместе
с ящиком шлепается вниз. Я тут прикинул, когда мой ящик на моём плече, то донышко термоса находит
ся на высоте 0.8м. Падая с высоты h , жидкость приобретает энергию mgh, т.е. для моего литрового
термоса 8 дж. Эта энергия должна высвободиться на тормозном пути s, который
колба термоса пройдет от
начала удара до своей полной остановки. Пусть лед жесткий и без снега, ящик дюралевый, термос стоит
на дне без "подушки". Тогда всё движение жидкости и колбы при ударе сводится к деформации
прокладки между корпусом термоса и дном колбы. А заводская прокладка эта из полиэтилена, обычно
грибочек такой. Но полиэтилен на морозе жестчает. Т.е. бампер из этой прокладки получается в смысле
работы хиловатенький. И если он переместился, скажем, всего на s=1 мм, то перегрузка составит 800
единиц и средняя сила при ударе F=mgh/s, оценивается в 800 Кг! Завышено, вероятно, но для оценки
сойдет. Зато, если бампер сместился на 2 мм, то уже всего только 400 Кг. Таким образом, решение
задачи уменьшения силы удара сводится к установке грамотно сконструированного бампера между дном
колбы и корпусом термоса.
В действительности ломает колбу не просто сила. Ломает колбу сила, сосредоточенная на малой
площади, т.е. давление. Кто не верит, пусть бросит шило на лист бумаги - сначала плашмя, затем
острием. И посмотрит, в каком случае лист прорвется. Т.е., чтобы не сломать поверхность, нужно
обеспечить большую и однородную площадь соприкосновения. (Тот, кто изобрёл надувные подушки
безопасности, это дело тонко понимал :-)).
Ну вот, пошла уже, наконец, и практика. Как же сделать толковый бампер с хорошей площадью соприкосновения? Довольно плёвая работа.
Берется рыхлый упаковочный пенопласт. Вырезается круглый кусок по размеру корпуса термоса. В верхней его части ножом выковыривается полусфера по форме дна колбы и на весь размер дна. Если пенопласт взят совсем уж рыхлый, то можно просто выдавить эту полусферу какой-нибудь посудиной вроде пиалы. В этой полусфере проковырять дополнительное отверстие, куда будет помещаться сосок колбы, через который откачивали воздух.
Затем надо взять тонкий, миллиметров пяти, поролон, вырезать из него кружочек по размеру полусферы, сделать для удобства пару радиальных надрезов и использовать его в качестве прокладки между пенопластом и колбой. Поролон нужен для обеспечения равномерного прилегания дна колбы к пенопласту, чтобы устранить возможные места сосредоточенной нагрузки.
Снизу между дном корпуса термоса и этим нашим куском пенопласта надо поместить что-нибудь
жестко-упругое. Тут уж кто что сможет. Я, к примеру, давно пользую кусок пористой резины
толщиной где-то мм 10. (Но вот что-то мало она сейчас на глаза попадается. Может, уже и не
выпускают её?) Всё, бампер готов. Подсовываем этот трехслойный "бутерброд" под донышко колбы и закручиваем корпус.
Желательные, но не обязательные дополнительные прибамбасы к девайсу. Хорошо еще прилепить к в верхней части колбы поролоновую манжетку в местах ее касания с корпусом. Невредно также, если позволяют размеры, обернуть тонким поролоном и вертикальные стенки корпуса. Осторожнее потом при закручивании корпуса.
Успехов!
Буду рад, если вся эта х...ня, которую я тут нёс на протяжении почти трех страниц, хоть кому-нибудь пригодится :-).
PS. Мужики! В соответствии с вышеизложенным, в общем-то получается, что самым оптимальным является
вертикальное положение термоса пробкой вниз. Не советую пробовать. Даже при хорошо закрытой пробке. При ударе она может сработать как клин и развалить колбу к помятой бабушке.