Как работает термос: вакуум, зеркальное покрытие и три вида теплопередачи
Термос работает, блокируя все три механизма теплопередачи одновременно: вакуум между стенками исключает теплопроводность и конвекцию, а зеркальное покрытие внутренней колбы отражает инфракрасное излучение обратно к содержимому. В идеальных условиях качественный термос объёмом 0,5 литра сохраняет температуру кипятка выше 60 °С в течение 6–8 часов.
Три пути теплопотерь и как термос их перекрывает
Теплопроводность требует контакта молекул. В обычной кружке горячий напиток нагревает стенку, та нагревает воздух снаружи. Вакуум в межстенном пространстве термоса содержит менее 0,001 мм ртутного столба остаточного давления, что делает теплопроводность газа практически нулевой. Единственный путь для теплопроводности в хорошем термосе — тонкий стеклянный или стальной перешеек, соединяющий внутреннюю и внешнюю стенки у горловины.
Конвекция в вакууме невозможна по определению: нет среды для переноса тепла потоками. Именно поэтому вакуумная изоляция работает одинаково эффективно и для сохранения тепла, и для сохранения холода, что используется в криогенных сосудах для жидкого азота на промышленных предприятиях.
Тепловое излучение присутствует даже в вакууме: любое тело выше абсолютного нуля испускает инфракрасные фотоны. Серебряное или алюминиевое покрытие на внутренней поверхности внешней стенки отражает 95–97% излучения обратно к колбе с содержимым. Именно поэтому стеклянные колбы термосов имеют характерный зеркальный блеск.
Конструкция стеклянного и стального термоса
Классический стеклянный термос устроен по принципу сосуда Дьюара, изобретённого в 1892 году: две стеклянные трубки, спаянные у горловины, образуют замкнутое межстенное пространство. Воздух откачивается через патрубок в дне внешней колбы, после чего патрубок заплавляется. Внутренняя поверхность покрывается серебром химическим осаждением. Стекло обеспечивает химическую нейтральность и не влияет на вкус напитка, но хрупко при ударах.
Стальные термосы используют двустенную конструкцию из нержавеющей стали 18/8 (стандарт 304). Вакуум создаётся откачкой воздуха через специальный клапан в дне и поддерживается геттером, абсорбирующим остаточные газы. Стальная конструкция значительно прочнее, но теплопроводность металла через перешеек у горловины чуть выше, чем у стекла. Производители компенсируют это, делая перешеек как можно тоньше и длиннее.
Почему качество вакуума определяет всё
Остаточное давление в межстенном пространстве термоса не должно превышать 0,001 Па. При давлении выше 1 Па молекулы газа начинают передавать тепло, и изоляция резко ухудшается. Со временем остаточный газ в зазоре накапливается за счёт десорбции со стенок, и термос начинает хуже держать температуру. Промышленные сосуды Дьюара для хранения жидкого кислорода и азота на металлургических предприятиях проходят регулярную откачку именно по этой причине.
Пробка термоса вносит наибольший вклад в теплопотери: через неё проходит испарение, конвекция паров и теплопроводность пробкового материала. Плотное прижатие крышки и минимальный зазор между пробкой и горловиной критичны для сохранения температуры. Проверить качество вакуума в бытовом термосе можно, нагрев его снаружи рукой: если внешний корпус остаётся холодным при горячем содержимом, вакуум в порядке.
