Термос

Типични дизајн вакуумског фласка Термос бренда, који се користи за одржавање температуре флуида као што је кафа.

Лабораторијски Дјуаров фласк, Немачки музеј, Минхен

Дијаграм вакуумског фласк

Криогенски складишни дјуар за течни азот, који се користи за снабдевање криогених замрзивача

Термос (такође познат као вакуумски фласк, Дјуаров фласк или Дјуарова боца) је изолована посуда за складиштење која знатно продужава време током кога њен садржај остаје топлији или хладнији од окружења. Ову посуду је изумео Сер Џејмс Дјуар 1892. године. Вакуумски фласк се састоји од две посуде, постављене једна у другу и спојене на врату. Из размака између две посуде је делимично испражњен ваздух, чиме се ствара средина блиска вакууму која значајно смањује пренос топлоте кондукцијом или конвекцијом.

Вакуумски фласкови се користе у домаћинству, како би пића одржала врућа или хладна током дужег временског раздобља, и за многе сврхе у индустрији.

Историја

Густав Роберт Паленова посуда са двоструким зидом, 1. патент од 27. јуна 1908, који је објављен 13. јула 1909

Вакуумски фласк је дизајнирао и изумео шкотски научник Сер Џејмс Дјуар 1892. године. То је био исход његових истраживања у пољу криогенике и стога се ова посуда понекад назива Дјуаров фласк у његову част. Док је изводио експерименте одређивања специфичне топлоте елемента паладијума, Дјуар је направио месингану комору коју је затворио у другу комору да задржи паладијум на жељеној температури. Он је евакуисао ваздух између две коморе, стварајући делимични вакуум да би одржао температуру садржаја стабилном. Кроз потребу за овим изолованим контејнером Џејмс Дјуар је створио вакуумски фласк, који је постао значајан алат за хемијске експерименте, а такође је постао уобичајени предмет у домаћинству. Боца је касније развијена користећи нове материјале као што су стакло и алуминијум; међутим, Дјуар је одбио да патентира свој изум.

Дјуаров дизајн је брзо трансформисан у комерцијални предмет 1904. године, када су два немачка дувача стакла, Рајнхолд Бургер и Алберт Ашенбренер, открили да се може користити за одржавање температуре хладних и топлих напитака. Дизајн Дјуаровог фласка није био патентиран, али га је Немац који је открио комерцијалну примену преименовао у „термос”, и накнадно потраживао права на комерцијални производ и заштитни знак за име. У свом каснијем покушају да успостави права на изум, Дјуар је изгубио судски спор против компаније. Производњу и перформансе термос боце значајно је побољшао и усавршио бечки изумитељ и трговац Густав Роберт Пален, који је дизајнирао различите типове термоса за домаћинство, које је такође патентирао и широко дистрибуирао, путем својих компанија термос боца у САД и Канади. Име је касније постало генерички бренд након што је термин „термос” постао устаљени назив за такав контејнер за течност. Вакуумски фласк је нашао примену у мноштву различитих типова научних експеримената, и комерцијални „термос” је претворен у заједничку ставку. „Термос” остаје регистрована робна марка у неким земљама, али је проглашен генеричном робном марком судским поступком у Сједињеним Америчким Државама 1963. године, будући да је постао колоквијални синоним за вакуумске боце у опште смислу.

Дизајн

Вакуумски фласк се састоји од две посуде, једна постављена у другу и спојене на врату. У простору између два суда је делимично евакуисан ваздух, чиме се ствара парцијални вакуум који смањује провођење топлоте или конвекцију. Пренос топлоте топлотним зрачењем може се минимизовати посребрењем површине боце која је окренута према празнини, али то може постати проблематично ако је садржај боце или окружење веома вруће; због тога вакуумске боце обично држе садржај испод тачке кључања воде. Највећи део преноса топлоте се одвија кроз врат и отвор фласка, где нема вакуума. Вакуумске боце обично су израђене од метала, боросиликатног стакла, пене или пластике, а њихови отвори се затварају плутом или полиетиленском пластиком. Вакуумске боце се често користе као изоловани транспортни контејнери.

Неколико технолошких апликација, као што су НМР и МРИ машине, ослања се на употребу двоструких вакуумских боца. Ови фласкови имају две вакуумске секције. Унутрашња посуда садржи течни хелијум, а спољашња боца садржи течни азот, са вакуумском секцијом између њих. Губитак драгоценог хелијума је ограничен на овај начин.

Друга побољшања вакуумске боце укључују паром хлађени радијациони штит и паром хлађени врат, оба од којих помажу да се смањи испаравање из боце.

Истраживање и индустрија

Такође погледајте: Криогени складишни дјуар

У лабораторијама и индустрији, вакуумски фласкови се често користе за држање утечњених гасова (често ЛН2) за тренутно замрзавање, припрему узорака и друге процесе у којима се потребно одржавање екстремно ниских температура. Веће вакуумске боце чувају течности које постају гасовите на знатно нижим температурама од амбијентске, као што су кисеоник и азот; у овом случају цурење топлоте у екстремно хладну унутрашњост боце доводи до полаганог испаравања течности тако да је потребан уски незаштићени отвор, или затворени отвор заштићен вентилом за ублажење притиска, да се спречи раст притиска и евентуално пуцање боце. Изолација вакуумске боце доводи до врло спорог врења и тако садржај остаје течан дуже вримена без расхладне опреме.

Вакуумске боце су коришћене за смештање стандардних ћелија и Зенерове диоде, заједно са њиховом штампаном плочама, у прецизним уређајима за регулацију напона који се користе као електрични стандарди. Боца је помогла у контроли Зенерове температуре током дугог временског периода и коришћена је да се смање варијације излазног напона Зенеровог стандарда услед температурних флуктуација до неколико делова на милион.

Принцип вакуумске боце чини их идеалним за складиштење одређених врста ракетног горива. НАСА их је интензивно користила за погонске резервоаре Сатурнових лансирних возила током 1960-их и 1970-их.

Дизајн и облик Дјуарове боце коришћен је као модел за оптичке експерименте засноване на идеји да је облик два одељка са простором између њих сличан начину на који светлост удара у око. Вакуумски фласк је такође био део експеримената у коме је кориштен као кондензатор различитих хемикалија како би се одржале на константној температури.

Индустријски Дјуаров фласк је основа за уређај који се користи за пасивно изоловање медицинских пошиљки. Већина вакцина је осетљива на топлоту и неопходно је одржавање система хладног ланца да би се одржале стабилним, близу температура смрзавања. Уређај Арктек користи осам литарских блокова леда за држање вакцина испод 10 °C.

Термодинамика

Брзина губитка топлоте (енергије) кроз вакуумски фласк може се термодинамички анализирати, почевши од другог Т дС односа:

${\begin{aligned}T\,dS&=dH-V\,dP\\T_{\text{surr}}\,\Delta S&=mc_{\mathrm {p} }\,\delta T-V\,dp\end{aligned}}$

Претпостављајући константан притисак током процеса,

$T_{\text{surr}}\Delta S=c_{\mathrm {p} }\left(T_{\mathrm {b} '}-T_{\mathrm {c} }\right)$

Преуређивање једначине у смислу температуре спољашње површине унутрашњег зида вакуумске боце,

$T_{\mathrm {b} '}=T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{\mathrm {p} }}}$

Где

• T_surr је температура околног ваздуха
• ΔS је промена специфичне ентропије нерђајућег челика
• c_p је специфични топлотни капацитет нерђајућег челика
• T_c је температура течности садржане у фласку
• T_b′ је температура спољашње површине унутрашњег зида вакуумског фласка

Сада размотримо општи израз за губитак топлоте услед зрачења:

$Q'_{0}=A\varepsilon \sigma \left(T^{4}-T_{0}^{4}\right)$

У случају вакуумског фласка,

$Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(T_{\mathrm {b} '}^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)$

Заменом ранијег израза за T_b′,

$Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(\left(T_{c}+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{p}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)$

Где

• Q′₀ је брзина трансфера топлоте радијацијом кроз вакуумску порцију фласка
• A_in је површина спољне стране унутрашњег зида боце
• ε_ss је емисивност нерђајућег челика
• σ је Стефан–Болцманова константа

Под претпоставком да су спољашња површина унутрашњег зида и унутрашња површина спољног зида вакуумске боце обложене полираним сребром да би се смањили губици топлоте услед зрачења, може се рећи да је брзина апсорпције топлоте унутрашње површине спољашњег зида једнака апсорпционој моћи полираног сребра помножена топлотом коју зрачи спољашња површина унутрашњег зида,

$\alpha Q'_{0}=Q'_{\text{in}}$

Да би се одржао енергетски биланс, топлота изгубљена кроз спољну површину спољашњег зида мора бити једнака топлоти коју апсорбује унутрашња површина спољашњег зида,

$Q'_{\text{in}}=Q'_{\text{out}}$

Пошто је апсорптивност полираног сребра иста као и његова емисивност, може се написати

$Q'_{\text{out}}=\varepsilon _{\text{ss}}Q'_{0}$

Мора се узети у обзир и брзину губитка топлоте кроз поклопац вакуумске боце (под претпоставком да је израђен од полипропилена, убичне пластике) где нема вакуума унутар материјала. У овој области, присутна су три начина преношења топлоте: кондукција, конвекција и зрачење. Због тога је брзина губитка топлоте кроз поклопац,

${\begin{aligned}Q'_{\text{lid}}&=Q'_{\text{cond}}+Q'_{\text{conv}}+Q'_{\text{rad}}\\&=kA_{\text{lid}}\left({\frac {T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}}{\Delta x}}\right)+hA_{\text{lid}}\left(T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}\right)+A_{\text{lid}}\varepsilon _{\text{pp}}\sigma \left(\left(T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S_{\text{pp}}}{c_{\mathrm {p} }^{\text{pp}}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)\end{aligned}}$

Где

• k је термална кондуктивност ваздуха
• h је конвективни коефицијент топлотног трансфера слободног ваздуха
• ε_pp је емисивност полипропилена
• A_lid је спољашња површина поклопца
• cпп
  п је специфични топлотни капацитет полипропилена
• ΔS_pp је специфична ентропија полипропилена
• Δx је растојање на којем се одвија кондукција кроз температурног градијента

Израз за укупну брзину губитка топлоте је сума брзине губитка топлоте кроз зидове вакуумске боце и брзине губитка топлоте кроз поклопац,

$Q'_{\text{total}}=Q'_{\text{out}}+Q'_{\text{lid}}$

где се замењује сваки од израза за сваку компоненту у једначини.

Брзина генерисања ентропије овог процеса се такође може израчунати, почевши од баланса ентропије:

$\Delta S_{\text{system}}=S_{\text{in}}-S_{\text{out}}+S_{\text{gen}}$

Написано у облику брзине,

$\Delta S'_{\text{system}}=S'_{\text{in}}-S'_{\text{out}}+S'_{\text{gen}}$

Под претпоставком процеса у стабилном стању,

${\begin{aligned}-\int {\frac {1}{T_{\text{surr}}}}\,dQ'+S'_{\text{gen}}&=0\\\Rightarrow S'_{\text{gen}}&={\frac {Q'_{2}-Q'_{1}}{T_{\text{surr}}}}\end{aligned}}$

Пошто се у систем не додаје топлота,

$S'_{\text{gen}}={\frac {Q'_{\text{total}}}{T_{\text{surr}}}}$

Литература

• Бургер, Р., У.С. Патент 872.795, "Доубле wаллед вессел wитх а спаце фор а вацуум бетwеен тхе wаллс," Децембер 3, 1907.
• Селла, Андреа (август 2008). „Деwар'с Фласк”. Цхемистрy Wорлд: 75. Приступљено 30. 8. 2008.