ДОКЛАД СЕКРЕТ ТЕРМОСА. Цель узнать устройство термоса и возможность его создания своими руками. Объект исследования
 Скачать 49.1 Kb.
|
|
1. Здравствуйте, меня зовут Тявин Георгий, я учусь в 10 классе Куриловской школы 2. Люди часто пользуются термосом, не задумываясь о том, как он работает. Ведь даже через несколько часов обычный чай в термосе остаётся такой же горячий. На его температуру не влияет даже погода на улице. Что же помогает сохранить чай горячим? Из чего изготавливают термос? У меня появилось большое желание, понять принцип работы термоса, узнать об этом изобретении, как можно больше. 3. Цель: узнать устройство термоса и возможность его создания своими руками. 4. Объект исследования - термос. 5. Предмет исследования - возможность создания термоса своими руками. 6 .Задачи: Изучить материал; Провести эксперимент; Обобщить наблюдения; Сделать вывод; 7. Гипотеза исследования: Я предполагаю, что при создании самодельного термоса нужно строго соблюдать и использовать законы физики. 8. Что же такое термос? Термос (в переводе с греческого) "therme" - горячий. Такое название сосуду дал житель Мюнхена. Термос - вид бытовой теплоизоляционной посуды для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры продуктов питания, по сравнению с температурой окружающей среды. А термос ли? Термос – это торговая марка, ставшая нарицательным, так же как ксерокс, аспирин, вазелин, нейлон и сотни других. Изначально он назвался “сосуд Дьюара”. В англоязычных источниках термос, в котором мы храним чай называется “vacuum flask”. 9. Известный шотландский химик XIX века Джеймс Дьюар совершил целый ряд открытий в области физики и химии, но, пожалуй, в народе он запомнился, благодаря своему бытовому изобретению. В 1892 году Джеймс Дьюар разработал изолирующую колбу, которая известна в науке под названием сосуд Дьюара. Конечно, колба была изобретена для хранения химикатов, но именно она стала моделью современного термоса. В 1903 году берлинский производитель стеклянных изделий Рейнольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара, изобретённый в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром. Для удобного использования этого сосуда в быту (хранения напитков), он добавил к нему металлический корпус, пробку и крышку-стаканчик. Также, им была разработана система поддержки внутренней стенки колбы, так как она держалась только в одном месте у горловины сосуда и из-за этого легко ломалась при активном использовании В 1904 году впервые в хозяйственных целях была выпущена первая партия термосов. Устройство настолько было совершенно и просто в применении, что не изменилось практически и по сей день. 10. Сосуд Дьюара В 1842 году в Шотландии родился Джеймс Дьюар. Любознательность и способность к научной деятельности помогли ему быстро войти в число известных лондонских ученых. Дьюар изобрел кордит – порох, сгорающий без дыма, он занимался электрофотометрией и органической химией. Однако наибольшую известность Джеймс получил за счет сжижения постоянных газов и температурных экспериментов. Главным изобретением ученого стал сосуд Дьюара, который предназначен для хранения веществ при пониженной или повышенной температуре. Первым контейнер с подобной конструкцией создал немецкий физик Вейнхольд в 1881 году – это был ящик из стекла с двойными стенками, воздух между которыми для сведения теплообмена к минимуму откачивался. Ученые уже решили задачу сжижения отдельных газов, но сохранить их из-за быстрого испарения не могли. Для этого и потребовались сосуды, максимально защищенные от теплового взаимодействия с окружающей средой. Свое изобретение Дьюар впервые продемонстрировал в 1893 году, через несколько лет он смог получить и сохранить с его помощью жидкий водород (1898), а также попытался получить твердую форму (1899) этого газа. 11. Как работает сосуд Дьюара? Изготовлен из двух колбы, одна внутри другой. Воздух удаляется из пространства между ними, чтобы создать почти вакуум. Колбы постоянно запечатаны вместе на шее. Тепло плохо проходит через пространство между колбами, потому что там так мало частиц для передачи тепла. Большая часть тепла, которое входит или выходит из колбы, делает это через горловину или крышку, которая обычно изготавливается из изоляционного пластика. Внутренняя часть колбы также обычно покрыта отражающим материалом для уменьшения потерь тепла из-за излучения. 12. Интересный факт! В 1905 году, весть об этом удивительном изобретении, довольно сильно потрясшем мир, услышал и один из изобретателей сосуда Дьюара, сам Джеймс Дьюар. Во время создания своего сосуда, изобретатель и ученый был уверен в том, что никакого коммерческого успеха от своего открытия нельзя извлечь, и потому просто не патентовал его. Однако, узнав о том, что Р. Бургер заработал на его, по сути, открытии достаточно большие деньги, Дьюар подал иск в суд, где он требовал с производителя стеклянной посуды половину его заработка, однако исковое заявление не было удовлетворено. Тем не менее, изобретатель сосуда решил в некотором смысле отомстить своему обидчику и распространил информацию о том, что использование термоса является опасным для здоровья, в результате чего, уже за первую неделю продажи упали на 70% и Р. Бургер был вынужден признать свое поражение в этом споре. Начиная с середины 20-х годов прошлого века, термосы вновь обрели свою популярность, и активно используются, и по сей день. Компания Thermos существует и сегодня. Она по-прежнему выпускает одни из лучших в мире термосов. Девиз компании гласит: «Храним тепло. С 1904 года.» Джеймс Дьюар посвятил себя исключительно решению научных задач и не задумывался о возможной бытовой и финансовой выгоде от применения изобретения. Зато об этом подумал Рейнольд Бергер, который сообразил, как сосуд Дьюара можно использовать в быту. В 1904 году Бергер патентует принцип вакуумной колбы и получает все права на применение данного изобретения при изготовлении промышленных товаров. Рейнольд запустил конкурс на лучшее название бытового прибора, позволяющего сохранять температуру хранящейся жидкости. В результате на потребительском рынке появилась компания Thermos (от греческого «therme» — «горячий») 13. Распространение изобретения В числе первых, кто оценил пользу от выпущенного Бергером на рынок термоса, оказались летчики. В начале прошлого века они летали на самолетах, которые из-за конструкции крыльев назывались этажерками. У них было по две, а иногда и по три несущих поверхности (соответственно, бипланы и трипланы). Закрытой кабины у таких летательных аппаратов не имелось, поэтому летчикам приходилось испытывать на себе всю силу ветра и холод, характерный для большой высоты. В таких условиях горячий напиток зачастую был жизненно необходим. На примере летчиков обычные люди увидели, что термосы действительно отлично справляются со своей задачей, причем в крайне непростых условиях. Вскоре эта практичная и функциональная посуда стала популярным предметом обихода, каковым она и остается до сих пор. 14. Конструкция термоса Основной элемент термоса - колба, которая сделана из стекла или нержавеющей стали с двойными стенками, между которыми выкачан воздух (создан вакуум). Кроме этого, есть пробка, которая закрывает отверстие колбы и крышка, закрывающая весь сосуд. 15. В зависимости от типа используемой пищи, современные бытовые термосы можно разделить на следующие виды: Термосы для напитков — имеют узкую горловину диаметром 25—55 см Термосы с пневмонасосом - в конструкции крышки такого термоса есть насос для извлечения жидкостей путём нажатия на кнопку, и выводное отверстие сбоку для наливания. Предназначены для настольного использования. Пищевые термосы — имеют широкую горловину, диаметр которой практически равен диаметру корпуса (от 65—80 мм). Предназначены для хранения первых и вторых блюд, мороженого и других видов пищевых продуктов. Универсальные термосы — отличаются от пищевых термосов только конструкцией пробки, которая имеет дополнительное, более узкое, отверстие для наливания напитков. Пищевые термосы с судками — термосы, в которые стопкой, друг на друга, вкладывается 2—3 пластиковые или металлические ёмкости (контейнеры), позволяющие одновременно раздельно хранить различные виды блюд — например для обеда: холодную закуску с первым и вторым блюдом. 16. Виды теплопередачи Что требуется учитывать в устройстве термосе, чтобы остановить процесс теплопередачи. Требуется разобраться с видами теплопередачи, чтобы понять, как правильно должен работать термос. Различают три вида теплопередачи: Теплопроводность. Это способ передачи тепла (энергии) от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам, или от более горячих тел к менее нагретым при непосредственном соприкосновении. Например, если холодную ложку опустить в кипяток, то ложка нагреется. Ложке сообщается некоторое количество теплоты, а вода - охладится, т.е. она теплоту отдает ложке. Хорошие проводники тепла – металлы, хуже проводят тепло жидкости. Очень плохо проводят тепло воздух, пластмасса, дерево, поролон, пенопласт, строительная пена и т.д. Данный вид теплопередачи широко используется в устройстве термоса. Между стенками колбы нет воздуха, там вакуум. Вакуум обладает самой низкой теплопроводностью, поэтому остывание жидкости в термосе происходит очень медленно. Конвекция. Это способ передачи тепла (энергии) струями жидкости или газа. Например, от горячей батареи нагревается воздух около нее, он становится легче и поднимается наверх, а холодный воздух опускается вниз. Следующая партия воздуха нагревается и поднимается вверх, а более холодный воздух опускается вниз. Так постепенно происходит передача тепла от батареи ко всему воздуху в комнате. Если чайник с водой поставить на плиту, то внизу вода нагреется, станет легче и теплая вода поднимется наверх, а холодная вода опуститься вниз, т.к. она более тяжелая. Данное физическое явление могло бы наблюдаться в термосе, если бы горло колбы не закрывалось специальной пробкой, которая препятствует передаче тепла от жидкости в воздух. Излучение. Это способ передачи тепла (энергии) в виде невидимых лучей. Все тела, нагретые до любой температуры, излучают невидимые лучи, передающие тепло. Чем выше температура тела, тем больше излучается энергии. Если поднести руку сначала к слабо нагретому утюгу, а потом к сильно нагретому, то рука во втором случае почувствует больше тепла. Это объясняется тем, что горячий утюг излучает энергии больше. Учёные выяснили, что светлые блестящие поверхности отлично отражают тепло, а темные поверхности наоборот,очень хорошо поглощают энергию. Эти физические явления тоже использовали в устройстве термосе. Колба термоса покрыта слоем из отражающего зеркального материала. Это помогает ей отражать энергию жидкости, и она меньше остывает. Зеркальная поверхность мало нагревается, поэтому колба остаётся холодной. Например, раньше колбы покрывали слоем серебра. Серебро – блестящий светлый металл. Теперь для изготовления колб всё чаще используют полированную нержавеющую сталь. 17. Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса Чтобы понять принцип работы термоса, следует более подробно остановиться на сущности тех физических явлений, которые происходят внутри него.  1 Крышка термоса 2 Пробка 3 Корпус термоса 4 Зеркальная колба Задача термоса - сохранять жидкость как можно дольше горячей, т. е. сохранять тепловую энергию жидкости, не дать ей остывать. В физике процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному называется теплопередачей. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии или теплопередача от одного тела к другому до наступления равновесия. Тепло всегда передаётся от более горячих тел более холодным. Это значит, что если не защищать горячий чай в термосе, то он очень скоро станет холодным, так как тепловая энергия чая будет передаваться воздуху. Чай постепенно остынет. 18. Как работает термос? Если налить кипятка в бутылку, закрыть ее пробкой и оставить на столе, то тепло будет уходить тремя путями: 1. В виде излучения, как от любого нагретого тела. 2. Тепло будет уноситься молекулами воздуха, которые соприкасаются с наружной стенкой. 3. Ну и что-то передастся поверхности стола, к которой прикасается дно бутылки. Термос имеет двойные стенки, полость между которыми откачана до вакуума. Так как меж стенок нет молекул воздуха (или их очень мало), то тепло от внутренней стенки к наружной уже не может переноситься за счет энергии молекул, только излучением. А как бороться с излучением? Поставить зеркало! Внутренние стенки делаются зеркальными, чтобы излученное тепло отражалось назад. 19 . Почему остывает термос? В реальном мире все не так гладко и есть тонкости. Важнейший путь потерь тепла – пробка, на это влияет её конструкция и размер. Простая полая пробка будет проводить тепла меньше, чем пробка с механизмом и клапаном. Также термос с большой пробкой в широком горлышке (суповой) будет остывать быстрее термоса с маленькой пробочкой в узком горлышке. Но если создать идеальный термос, сохраняющий тепло очень долго, пользоваться им будет крайне неудобно, поэтому любой термос это баланс между хорошими характеристиками и удобством использования. Второй путь потерь тепла – через стенки. Чем глубже вакуум – тем лучше, но получение хорошего вакуума – процесс долгий, энергозатратный и от этого дорогой. Каждый производитель решает для себя сам, какое остаточное давление (измеряемое порой в миллионных долях от атмосферного) является приемлемым. 20. Как сейчас производят термосы Процесс производства термосов с стальной колбой не сложный – из полосы металла сваривается труба, затем она деформируется до нужной дизайнеру формы. Выдавливается резьба, посадочное место для прилегания пробки, штампуется и приваривается донышко. Аналогично изготавливается внутренняя колба, у нее форма попроще. Внутренняя и наружная колба свариваются меж собой у горлышка, и к донышку приваривается трубка. Через трубку затем откачивается воздух меж колб, вот на скриншоте с видео видно, как куча будущих термосов подключено к насосу. Когда приемлемый уровень вакуума достигнут, трубку пережимают и герметичность обеспечена. Но это довольно старый метод. Оказывается, придумана новая технология производства термосов . Она называется no tail technology или no tail design,. По этой технологии внутри пространства заранее размещается геттер (газопоглотитель): Геттер – это таблетка материала, который при нагревании поглощает газы, он широко используется при производстве радиоламп. В наружном донышке делается прокол и сверху кладется маленький шарик из стекла. Затем кучу термосов отправляется в специальную вакуумную печь, где уже воздух откачивается из всего объема печи, включая внутренний объем меж колб. А далее включается нагрев, бусинка из стекла плавится и запечатывает отверстие между колбами. Если внутри остались остатки молекул воздуха – их доест таблетка газопоглотителя. (с оговорками) Ну а после технология снова не отличается от классической – проверка, если термос держит тепло – наводим красоту: красим, шлифуем, полируем, упаковываем. 21. А зачем внутри фольга? Она выполняет роль зеркала. Проще и дешевле при сборке обернуть колбу в фольгу, чем заниматься полированием нержавеющей трубы изнутри. Кроме того, алюминий отражает излучение лучше, чем сталь. Еще лучше в инфракрасной области отражает медь, но она дороже, поэтому медная фольга встречается реже. Еще лучше серебро, но серебро в виде покрытия встречается только в стеклянных термосах. Термос называют еще вакуумной емкостью: для того чтобы не допустить ухода тепла из горячего продукта или не пропустить наружного тепла к холодному продукту, используется вакуум — пространство, в котором нет воздуха. Вакуум находится в узком пространстве между вкладышем (колбой) и наружной стенкой термоса — он останавливает перемещение тепла в наружный воздух и из наружного воздуха внутрь. Горячая пища внутри термоса может сохранять тепло в течение многих часов; точно также холодная пища может оставаться долго холодной, потому что вакуум изолирует ее от теплого воздуха снаружи термоса. Вкладыши (колбы) термосов раньше изготавливали из стекла, поскольку стекло является хорошим изолятором. Колбы покрывали серебром, так что они были блестящими и хорошо отражали тепло. Такие зеркальные колбы работали очень хорошо — они могли эффективно отражать невидимые лучи тепловой энергии (излучение) , отдаваемое горячими предметами. Однако с такими колбами была одна проблема: стеклянные колбы легко разбиваются. Сегодня колбы для термосов делают из пластмассы или из металла, но такие колбы работают хуже. Кроме того, поскольку вакуум в термосе не совсем идеальный — в нем может находиться какое-то количество воздуха, и поскольку крышки или пробки не обеспечивают идеальной герметизации, термосы не способны сохранять холодные продукты холодными и горячие горячими вечно 22. Изготовление термоса в домашних условиях Для изготовления термоса в домашних условиях я буду использовать подручные средства, которые есть в каждом доме. Вариантов изготовления термоса может быть несколько. 1. Модель термоса Для модели термоса мне потребуются следующие материалы и инструменты: Пластиковая бутылка 1.5 л. Пластиковая бутылка 2 л. Скотч Теплоизоляционный материал - бумага Светоотражающий материал - фольга Ножницы, нож. 23 Ход работы №1
Ход работы №2
Результаты 1) Я наполнил 4 сосуда: стакан, наши термосы №1 и №2, настоящий термос; водой температурой 10 градусов и решили проверить через какой промежуток времени вода станет комнатной температуры. Через промежутки времени измерял температуру воды в сосудах и, полученные данные были занесены в таблицу. Этим опытом я хотел проверить работоспособность наших термосов в сравнении с друг другом, настоящим термосом и стаканом. В ходе чего были получены следующие результаты: термос №1 проявил себя лучше чем стакан, но хуже чем другие испытуемые, а вот термос №2 отлично держал температуру и почти не отставал от настоящего. Исходя из этого, я считаю, что термос №2 вполне пригоден для использования в жаркую погоду, в поездке, но вот термос № 2, если пригодится, то на более меньшее время использования. 2) Я набрал горячей воды в 3 сосуда: в обыкновенный стакан, наш первый стакан и настоящий термос. Суть опыта состояла в сравнении нашего термоса с другими испытуемыми, вследствии чего я выявил, что наш термос способен сохранять тепло намного лучше чем обычная не закрытая ёмкость, в нашем случае это стакан, но тем не менее хуже чем настоящий термос. По подсчётам оптимальную температуру наш термос держит 4 часа. Исходя из этого, я считаю, что наш термос хорошо себя проявил, и он может быть пригодет для использования в каких-то крайних ситуациях, например в походе. Самое главное, что я понял – изготовление термоса в домашних условиях возможно, если при этом учитываются все физические процессы протекающие внутри этого устройства. Заключение Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Моя исследовательская работа заинтересовала меня, потому что я смогла объяснить процесс сохранения тепла с научной точки зрения. Было сложно понять суть физических явлений. В ходе своей работы я узнал историю появления термоса и выяснил устройство этого изделия, понял суть протекающих в нём физических явлений. Это позволило мне сконструировать модель термоса. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы. Наш эксперимент по использованию самодельного термоса в домашних условиях можно считать удачным. Он доказал, что изготовление термоса в домашних условиях реально и выполнимо. Это значит, что моя гипотеза подтвердилась. Я уверенно могу сказать, что знания физических закономерностей помогает человеку жить. |