Маленький опус по термодинамике и механике в их приложении к термосам

То, что написано дальше, большинству покажется очевидным, но, возможно, некоторым, забывшим школьную физику — откровением. Народ на Балычке разный, потому начнём "с центра поля”.

Как известно, тепловая энергия есть энергия хаотического движения молекул в жидкостях и газах или энергия колебаний атомов в твёрдых 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 счёт столкновений молекул более теплая часть вещества остывает, а более его холодная часть — нагревается. (Тут бы про энтропию ещё 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 своём пути вещество, она, поглощаясь, может передать ему энергию и разогреть его. (Рассмотрение квантовых механизмов этой дребедени также опустим :) ). 

Конвекция.

Сей механизм работает только в жидкостях и газах. Если в нижней части сосуда жидкость более тёплая, чем в верхней, то за счёт расширения при нагревании эта более тёплая жидкость является и более лёгкой. 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.

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. Остаётся лишь та доля теплопроводности в стекле, которая перемещает тепло потихонечку, по стеклу внутренней стенки к месту соединения у горлышка, а затем уже к внешней бутыли и наружу. Поскольку стекло — не металл, собственная теплопроводность его маленькая, то и потери эти невелики. 

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 получается консольно закреплённой за горлышко внутри внешней. Возникающий при ударе изгибающий момент ломает колбу в области горловины. Короче. Хочешь сберечь термос — не клади его полным на бок. 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 шлёпается вниз. Пусть, когда ящик на плече, донышко термоса находится на высоте 0.8 м. Падая с высоты h, жидкость приобретает энергию mgh, т.е. для литрового термоса 8 дж. Эта энергия должна высвободиться на тормозном пути s, который термос пройдёт от начала удара до своей полной остановки. Пусть лёд жёсткий и без снега, ящик дюралевый, термос стоит на дне без "подушки”. Тогда всё движение жидкости колбы и при ударе сводится к деформации прокладки между корпусом термоса и дном колбы. А прокладка из ПЭ, обычно грибочек такой. А ПЭ 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 средняя сила при ударе F=mgh/s, оценивается в 800 кг! Завышено, вероятно, но для оценки сойдёт. Зато, если бампер сместился на 2 мм, то уже всего 400 кг. Таким образом, решение задачи уменьшения силы удара сводится к установке грамотно сконструированного бампера между дном колбы и корпусом термоса.