Термос сохраняет горячее горячим, а холодное холодным, потому что замедляет обмен теплом с окружающей средой. Нагревателя и холодильника внутри нет: кипяток всё равно остывает, ледяная вода нагревается, но гораздо медленнее.
Термос — это сосуд с двойными стенками, из промежутка между которыми откачан воздух. Вакуум почти устраняет теплопроводность и конвекцию, отражающий слой возвращает тепловое излучение обратно, а вместе они замедляют выравнивание температуры напитка и среды.
Тот же способ — разобрать привычную вещь на несколько простых физических механизмов — лежит в основе нашей подборки о физике дома. Термос в ней особенно нагляден: никаких моторов и химических реакций, только препятствия на пути тепла.
Термос не греет и не охлаждает
Термос не создаёт ни тепло, ни холод: он лишь мешает энергии быстро переходить от более тёплого тела к более холодному. Поэтому чай при 95 °C отдаёт тепло комнате с температурой 20 °C, а вода при 4 °C, наоборот, получает его от комнаты.
Второй закон термодинамики описывает это без лишней сложности: тепло самопроизвольно течёт только от тёплого к холодному. «Холод» нельзя запереть в бутылке как отдельное вещество. Это состояние с меньшим запасом тепловой энергии, а перемещается именно энергия.
Поэтому одна и та же конструкция подходит и для кипятка, и для воды со льдом. Термос тормозит поток тепла независимо от его направления.
Три пути, по которым уходит тепло
Обычная чашка быстро принимает комнатную температуру, потому что тепло может покинуть её сразу тремя путями. Термос ослабляет каждый из них.
- Теплопроводность — передача энергии при контакте частиц. Нагретые атомы передают часть своей энергии соседним.
- Конвекция — перенос тепла движущимся воздухом или жидкостью. Тёплый воздух поднимается, более холодный опускается, и возникает циркуляция.
- Излучение — перенос энергии инфракрасными волнами. Для него не нужны ни воздух, ни другое вещество.
Теплопроводность и конвекция невозможны без среды между стенками. Излучение проходит даже через пустоту, поэтому для него нужен отдельный барьер.
Вакуум перекрывает два пути из трёх
Воздух из пространства между внутренней колбой и внешней стенкой откачивают. В вакууме почти не остаётся частиц, которые могли бы передавать энергию друг другу, и нет газа, способного двигаться потоками. Одним приёмом термос резко снижает и теплопроводность, и конвекцию.
Разницу хорошо показывают числа. Теплопроводность воздуха при 300 K составляет 26,4 мВт/(м·К). Для нержавеющей стали 304 справочники приводят около 16 Вт/(м·К) при 100 °C, при комнатной температуре немного меньше. Металл проводит тепло примерно в 600 раз лучше воздуха — и даже воздух, куда более слабый проводник, производители убирают из межстенного пространства.
Давление между стенками снижают примерно до 10⁻² Па. До герметизации внутрь помещают геттер — сплав на основе циркония. После активации нагревом в вакууме он поглощает остаточные газы, которые годами выделяются из металла, и помогает сохранять разрежение.
Полной изоляции всё равно не получается. Внутренняя и внешняя стенки соединены у горловины и опираются друг на друга в нижней части. В этих местах остаются тонкие мостики, по которым энергия уходит через материал.
Зачем колба покрыта блестящим слоем
Инфракрасное излучение свободно проходит через пустоту, поэтому вакуум его не останавливает. Внутреннюю колбу покрывают блестящим слоем: полированный металл мало излучает сам и отражает тепловые волны обратно к жидкости.
Эту способность описывает коэффициент излучения ε. У полированного серебра он составляет примерно 0,02–0,03: такая поверхность излучает в десятки раз меньше, чем абсолютно чёрное тело. Так термос перекрывает третий путь потери тепла.
Зеркальный эффект легко потерять. У полированной меди коэффициент излучения близок к 0,03, а оксидный слой толщиной всего 2 мкм поднимает его до 0,2 — почти в семь раз. Потускневшая поверхность хуже отражает и начинает активнее отдавать тепло.
В стеклянных сосудах Дьюара внутренние поверхности серебрили. В современных стальных термосах похожую роль выполняет тонкая медная или алюминиевая фольга вокруг внутренней колбы.
Горловина — слабое место термоса
Больше всего тепла термос теряет через горловину и крышку, потому что именно здесь вакуумный барьер прерывается. Две стенки должны быть где-то соединены, и у горловины остаётся сплошной мостик из материала.
Через отверстие внутренний тёплый воздух соприкасается с комнатным, а твёрдые детали дают энергии более короткий путь, чем двойная стенка с вакуумной прослойкой.
Пробка — не просто заглушка, а часть теплоизоляции. Её делают толстой и из материала с низкой теплопроводностью, чтобы добавить сопротивление в самом узком месте. Полностью остановить теплообмен она не может: любой реальный термос лишь выигрывает время.
Сколько градусов термос теряет за сутки
Реальные цифры лучше всего показывают предел возможностей термоса. Для модели Zojirushi SJ-JS10 объёмом 1,03 л производитель приводит измерения при комнатной температуре 20 °C.
| Режим | В начале | Через 6 часов | Через 24 часа |
|---|---|---|---|
| Горячий | 95 °C | 82 °C | 62 °C |
| Холодный | 4 °C | 7 °C | — |
Для холодного режима производитель указывает только шестичасовое измерение, поэтому суточной отметки в таблице нет. За шесть часов ледяная вода нагрелась всего на 3 °C.
За сутки горячая вода остывает примерно на 33 °C. Дело не в том, что термос хуже удерживает тепло, чем холод. В начале разница между кипятком и комнатой составляет 75 °C, а между ледяной водой и комнатой — лишь 16 °C. Чем больше перепад температур, тем сильнее поток тепла.
Сравнивать градусы разных моделей без методики нельзя: производители измеряют по-разному. Для бытовой изотермической посуды правила испытаний задаёт, например, европейский стандарт EN 12546-1:2000. Сосуд предварительно прогревают водой температурой не ниже 95 °C в течение 5 ± 1 минуты, затем воду сливают и сразу заполняют его кипятком до номинального объёма.
От лаборатории Дьюара до бутылки с чаем
Вакуумную колбу создал шотландский физик Джеймс Дьюар в 1892 году и показал её в Королевском институте на Рождество того же года. Его интересовал не чай: учёный работал со сжиженными газами, которые нужно было достаточно долго удерживать в жидком состоянии для исследований. Патент на свою колбу Дьюар так и не оформил; позже он несколько лет судился с Альфредом Нобелем из-за патента на кордит.
Бытовым предметом колбу сделал берлинский стеклодув Рейнгольд Бургер. Он опирался на идею Дьюара и в 1903 году запатентовал сосуд в металлическом корпусе, который защищал хрупкое стекло от ударов. По официальной истории бренда, годом позже Бургер вместе с партнёром Альбертом Ашенбреннером выбрал на публичном конкурсе название Thermos — от греческого thérme, «тепло».
Принцип термоса не устарел. Лабораторные сосуды Дьюара и сейчас удерживают жидкий азот при 77 K, или −196 °C. Масштаб другой, но физика та же: не создавать тепло или холод, а как можно дольше не давать содержимому сравняться по температуре с окружающей средой.
