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 :) ).
Потери тепловой энергии за счёт 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 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.
Для тех, кто сумел дочитать до этого места :), рассмотрим, как вышеперечисленные механизмы передачи тепла блокируются в устройстве, именуемом в народе термосом.
Классическая термосная колба изобретена Дж. Дьюаром в 1898 году с целью хранения жидких газов. Колба представляет собой две вложенные с зазором друг в друга стеклянные бутыли. Соединение бутылей между собой осуществлено в районе горлышка. 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. 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.
Теплопотери за счёт излучения блокируются с помощью покрытия стенок бутыли зеркальным слоем — напылённым на стенки со стороны вакуумированной части колбы серебром или алюминием. Излучение отражается от стенок, поглощается теми же "родными” молекулами и тепло остаётся внутри колбы.
Потери за счёт 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 и используют.
Вот такая сложная фиговина — эта простая штука: термос :).
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 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.
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 остриём. И посмотрит, в каком случае лист прорвётся. Т.е., чтобы не сломать поверхность, нужно обеспечить большую и однородную площадь соприкосновения. (Кто придумал надувные подушки безопасности, это тонко понимал :) ).
Ну вот, пошла уже, наконец, и практика. Как же сделать толковый бампер с хорошей площадью соприкосновения? Довольно плёвая работа.
Берётся рыхлый упаковочный пенопласт. Вырезается круглый кусок по размеру корпуса. 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.
Взять тонкий — миллиметров 5 — 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 жёстко-упругое. Тут уж кто что сможет. Можно, к примеру, использовать кусок пористой резины толщиной миллиметров 10. (Но вот что-то мало она сейчас на глаза попадается. Может и не выпускают её?) Всё, бампер готов. Подсовываем этот трёхслойный бутерброд под донышко колбы и закручиваем корпус.
Желательные, но не обязательные дополнительные прибамбасы к девайсу. Хорошо ещё прилепить в верхней части колбы поролоновую манжетку в местах её касания с корпусом. Не вредно также, если позволяют размеры, обернуть тонким поролоном и вертикальные стенки корпуса. Осторожнее потом при закручивании корпуса.
В соответствии с вышеизложенным получается, что самым оптимальным является вертикальное положение термоса пробкой вниз. Не стоит пробовать даже при хорошо закрытой пробке. При ударе она может сработать как клин и развалить колбу к помятой бабушке.
По поводу нержавеющих термосов
Проверить его на герметичность сжатым воздухом по пузырькам в большинстве случев невозможно. Для нарушения вакуума достаточно микротрещины, через которую заметный пузырёк воздуха будет надуваться несколько дней, а вот вакуум в колбе полностью испортится за несколько месяцев. Как правильно было замечено, самое слабое место, кроме фабричного дефекта сварного шва, куда при сварке может попасть грязь, окалина и образовать протяжённый микрокапилляр, — это горловина. При боковом ударе шов может лопнуть, а может и не лопнуть, но горловина деформируется самую малость и внутренняя колба коснётся внешнего корпуса. При этом образуется тепловой контакт — и привет, тепло вашего чая внесёт свою лепту в глобальное потепление климата на планете. Один из авторов двадцать лет работает с вакуумной и криогенной техникой, насмотрелся этих фокусов — мама, не горюй.
Как же выбрать хороший термос?
Он не должен быть слишком маленьким, иначе соотношение площади поверхности, через которую идут потери тепла, к массе воды будет таким, что даже с приличным вакуумом она остынет быстро. Термос 700 г — оптимально, 500 г — быстро остывает, а 1 литр — лишку тяжёл, да и не надо столько чая, но это — кому как.
Он не должен быть слишком узким и длинным. Во-первых, у узкого термоса относительно большая площадь, а, во-вторых, из-за большого отношения рычага, образованного колбой к диаметру горловины, нагрузка на шов в горловине при боковом ударе будет большая. Длинные и узкие хороши только с точки зрения технологии производства.
Собираясь в магазин, возьмите с собой большой термос с крутым кипятком и залейте его в испытываемый термос. Через 10 минут сравните на ощупь температуру внешнего корпуса термоса с кипятком с температурой пустого термоса, стоящего рядом на витрине. Если ощутили хоть малейшую разницу — вылейте кипяток на голову продавцу-консультанту и уходите прочь.
P.S. О китайских термосах. У одного из авторов и его близких знакомых было много стеклянных отечественных термосов, 3 американских и 4 китайских. Американские и китайские были куплены, соответственно, в Америке и в Китае, все — за исключением одного китайского — в больших приличных супермаркетах. Статистика такая. Американские (толстая сталь, заполнение активированным углём) два термоса служат 8 лет, один накрылся на второй год. Китайские (очень тонкостенные и лёгкие, как вся китайская посуда) — один (купленный на блошином рынке без проверки) служит четвёртый год, остальные — по третьему году, и ни один не сломался в процессе эксплуатации, правда, держат тепло немного похуже, чем стеклянные и американские. НО!!! В супермаркетах примерно каждый третий был неисправен изначально. Иногда продавец при тебе кипятит в электрочайнике воду и испытывает термос, иногда — нет, и тогда переводчица с чеком бегала менять товар, а иногда на прилавке стоят термосы с капельками воды внутри, т.е. кто-то уже испытал — забраковал и вернул. Так что сходу отметать Китай — это, наверное, всё-таки максимализм.
Авторы: Константин Егоров, Игорь Гачев
|
Блог
WMZ: R215825764419
