Термос нічого не робить із напоєм. Він лише відрізає його від довкілля: усередині немає ані нагрівача, ані холодильника, тому окріп холоне, а крижана вода нагрівається — просто набагато повільніше. Уся конструкція б’є в одну ціль: перекрити три шляхи, якими тепло йде назовні або всередину.
Термос — це посудина з подвійними стінками, з простору між якими відкачано повітря. Вакуум прибирає теплопровідність і конвекцію, дзеркальний шар відбиває теплове випромінювання назад, а разом вони сповільнюють теплообмін із довкіллям.
Той самий підхід — розібрати побутову річ на кілька простих механізмів — тримає всю нашу добірку про фізику вдома. Термос у ній чи не найпростіший випадок: жодного двигуна, жодної хімії, самі тільки перепони на шляху тепла.
Термос не гріє й не холодить — у нього немає джерела енергії
Чай остигає, а холодна вода нагрівається, і обидва процеси йдуть самі собою. Другий закон термодинаміки формулює це просто: тепло самочинно тече лише від теплішого до холоднішого. Чай за температури 95 °C віддає енергію кімнаті з її 20 °C, а вода за 4 °C, навпаки, забирає енергію в кімнати.
«Холод» — не речовина, яку можна замкнути в пляшці. Це менша кількість теплової енергії, і рухається завжди саме енергія. Тому одна конструкція однаково придатна для окропу й для крижаної води: вона гальмує потік тепла, хай куди той прямує.
Три дороги, якими тепло тікає з чашки
Температура звичайної чашки швидко зрівнюється з кімнатною, бо тепло має одразу три шляхи. Ось як працює термос по кроках: він перекриває або послаблює кожен із них.
- Теплопровідність — передавання енергії через зіткнення частинок. Нагріті атоми штовхають сусідні й віддають їм частину енергії.
- Конвекція — перенесення тепла рухом повітря або рідини. Тепле повітря піднімається, холодніше опускається, і виникає циркуляція.
- Випромінювання — передавання енергії інфрачервоними хвилями. Ані повітря, ані будь-яка інша речовина для нього не потрібні.
Перші два механізми не працюють без середовища між стінками. Випромінювання летить навіть крізь порожнечу, тож проти нього потрібен окремий засіб.
Вакуум перекриває дві дороги з трьох
Між внутрішньою колбою та зовнішньою стінкою відкачують повітря. У вакуумі не лишається частинок, які передавали б енергію одна одній, і немає газу, що міг би рухатися потоками. Теплопровідність і конвекцію знімає той самий прийом.
Щоб відчути різницю, варто порівняти числа. Теплопровідність повітря за 300 K становить 26,4 мВт/(м·К). Довідники дають для нержавіючої сталі 304 близько 16 Вт/(м·К) за 100 °C, за кімнатної температури — трохи менше. Хоч як брати, метал проводить тепло приблизно в 600 разів краще за повітря — і навіть це слабеньке повітря з міжстінного простору на заводі прибирають.
Тиск між стінками доводять приблизно до 10⁻² Па. Ще до запаювання всередину вварюють гетер — сплав на основі цирконію. Після активації нагріванням у вакуумі він поглинає залишкові гази, які роками виходять із самого металу, і так тримає розрідження на місці.
Абсолютної ізоляції це не дає. Внутрішня та зовнішня стінки все одно зрощені біля горловини й спираються одна на одну внизу, а в цих точках лишаються тонкі містки, якими енергія йде матеріалом.
Чому колба всередині блищить
Крізь порожнечу інфрачервоні хвилі йдуть вільно — вакуум для них не перешкода. Тому внутрішню колбу вкривають блискучим шаром: полірований метал сам випромінює мало й відбиває теплові хвилі назад у рідину.
Цю властивість описує випромінювальна здатність, ε. У полірованого срібла вона становить приблизно 0,02–0,03: така поверхня випромінює в десятки разів менше, ніж абсолютно чорне тіло. Цього досить, щоб закрити третій шлях, з яким вакуум не впорався.
Дзеркальність легко втратити. У полірованої міді випромінювальна здатність близька до 0,03, а шар оксиду завтовшки лише 2 мкм піднімає її до 0,2 — майже всемеро. Потьмяніла поверхня перестає бути дзеркалом і починає світити теплом сама.
У скляних колбах Дьюара внутрішні поверхні сріблили. У сучасних сталевих термосах ту саму роль виконує тонкий лист міді або алюмінію, яким обгортають внутрішню колбу.
Горловина — місце, де бар’єр обривається
Дві стінки мусять десь триматися разом. Зрощують їх біля горловини: там лишається суцільний місток металу, і вакуумний проміжок на ньому закінчується.
Через горловину й отвір іде більшість утрат. Там внутрішнє тепле повітря стикається з кімнатним, а тверді деталі дають енергії коротший шлях, ніж подвійна вакуумна стінка.
Корок — теж частина конструкції, а не просто затичка. Його роблять товстим і з матеріалу, що погано проводить тепло, тож він додає опору на найвужчому місці. Спинити обмін він усе одно не може: будь-який реальний термос лише виграє час.
Скільки термос втрачає за добу
Межу цієї конструкції найкраще показують цифри. Для термоса Zojirushi SJ-JS10 об’ємом 1,03 л виробник наводить власні заміри за кімнатної температури 20 °C.
| Режим | Старт | Через 6 годин | Через 24 години |
|---|---|---|---|
| Гаряче | 95 °C | 82 °C | 62 °C |
| Холодне | 4 °C | 7 °C | — |
Для холодного режиму виробник наводить лише шестигодинний замір, тож добової позначки в таблиці немає. За ці шість годин крижана вода нагрілася всього на 3 °C.
Гаряча вода за добу холоне приблизно на 33 °C. Швидше вона змінюється не тому, що термос гірше тримає тепло, ніж холод. На старті різниця між окропом і кімнатою — 75 °C, а між крижаною водою й кімнатою лише 16 °C, і що більший перепад, то сильніший потік.
Виробники міряють по-різному, тому самі градуси без методики мало що значать. Для побутових ізотермічних посудин правила заміру задає, наприклад, європейський стандарт EN 12546-1:2000. Посудину прогрівають водою за температури щонайменше 95 °C протягом 5 ± 1 хвилини й заповнюють до номінального об’єму. Потім воду зливають і одразу наливають окріп.
Від лабораторії Дьюара до пляшки з чаєм
Вакуумну колбу створив шотландський фізик Джеймс Дьюар у 1892 році й показав її в Королівському інституті на Різдво того самого року. Його цікавив не чай: він працював зі зрідженими газами, а їх треба було втримати рідкими достатньо довго, щоб устигнути дослідити. Патенту Дьюар так і не взяв — після сварки з Альфредом Нобелем через патент на кордит.
Побутову річ зробив берлінський склодув Райнгольд Бургер, який мав власну майстерню й відштовхувався від Дьюарової колби. Він запатентував у 1903 році посудину в захисному металевому корпусі, що прикриває крихке скло. За офіційною історією бренду, наступного року Бургер разом із партнером Альбертом Ашенбреннером обрав на публічному конкурсі назву Thermos — від грецького thérme, «тепло».
Принцип роботи термоса не застарів. Лабораторні дьюари й нині тримають рідкий азот за 77 K, тобто −196 °C. Масштаб різний, фізика одна: не створити тепло чи холод, а якомога довше не дати їм зрівнятися з довкіллям.
