Почему портится термос. Статья №43. 13.06.17


Какие материалы являются самыми лучшими теплоизоляторами ?

Разумеется – это материалы с малой плотностью, такие как пух, шерсть, пенопласт, пеноизол и строительная пена. Чем меньше плотность материала, тем меньше он проводит тепла.

Плотность атмосферного воздуха составляет всего один килограмм на кубометр, что в двадцать раз меньше плотности самых лёгких теплоизоляционных материалов. Можно было бы ожидать двадцатикратного снижения теплопроводности воздуха, в сравнении с лучшими теплоизоляторами. Но, не тут-то было, различие по теплопроводности – всего десяток процентов.

Всё просто: чем меньше плотность материала, тем больше в нём воздуха. Поэтому снижение плотности изолятора приближает его, по теплопроводности, к воздуху.

Например, мыльная пена – почти чистый воздух, следовательно, её теплопроводность равна теплопроводности воздуха.

Что же получается, теплопроводность атмосферного воздуха – это тот минимум, ниже которого – ни-ни ?

А что, если уменьшить плотность самого воздуха, просто снизив его давление раз этак в сто.

Поди, и теплопроводность рухнет в сотню раз.

Но, нет – теплопроводность разреженного воздуха, почему-то, не падает.

Даже, снижая давление воздуха, а значит, и его плотность в тысячу раз, мы с удивлением обнаружим сохранение прежней его теплопроводности.

И только глубокий вакуум, как в колбе термоса, позволяет реально обнулить перенос тепла между стенками колбы.

Но, что такое вакуум. Правда ли, что это – пустота ?

Конечно, нет. Как бы мы не понижали давление воздуха, число молекул в кубическом миллиметре будет оставаться астрономическим. Стало быть, вакуум – это далеко не пустота.

Но, почему же тогда понижение давления воздуха в тысячу раз почти не сказывается на его теплопроводности, а понижение давления в миллион раз – обеспечивает двадцатикратное снижение тепловой проводимости ?

Известно, что молекула газа может обмениваться энергией с другой молекулой только при соударении. Обмен энергией молекул со стенками сосуда также происходит при соударении. Это и есть механизм газовой теплопроводности. Обычно длина свободного пробега молекулы газа во много раз меньше расстояния между стенками сосуда, между которыми происходит теплообмен. Например, при атмосферном давлении и комнатной температуре длина свободного пробега молекулы азота равна одной десятой микрона, а расстояние между стенками термоса обычно равно 10 мм (10'000 мкм).

В таких условиях молекулы азота в основном сталкиваются друг с другом, и лишь изредка – со стенкой термоса. В этом случае теплопроводность газа почти не зависит от давления.

Но, при давлении в один паскаль (одна стотысячная атмосферы) длина свободного пробега становится равной расстоянию между стенками сосуда (10 мм). При этом картина энергообмена кардинально меняется. Теперь теплопроводность газа напрямую зависит от его давления. То есть, при понижении давления в десять раз, получаем десятикратное понижение теплопроводности. Соответственно, при стократном понижении давления, имеем стократно меньшую теплопроводность.

Вот почему для обнуления теплообмена между стенками термоса приходится создавать очень глубокий вакуум – на уровне сотых долей паскаля или десятитысячных долей миллиметра ртутного столба.

Столь глубокий вакуум очень проблематично удерживать в колбе термоса длительное время. Стекло и металл, хотя и в малой степени, но всё же, проницаемы для газов, поэтому со временем вакуум в колбе термоса “портится", а теплоизоляционные свойства термоса ухудшаются.

Однако, этот нежелательный эффект снижения изоляционных свойств вакуума можно компенсировать очень простым способом.

Как мы выяснили, тепловая проводимость вакуумного зазора между стенками зависит не только от давления воздуха, но и от длины свободного пробега газовых молекул, точнее говоря, от отношения толщины зазора к длине свободного пробега. Этим и следует воспользоваться.

Разумеется, не в наших силах изменить длину свободного пробега, но ничто не мешает нам

искусственно уменьшить зазор между соседними стенками, сделав его в сотню раз меньше длины свободного пробега.

Если мы разместим в колбе термоса множество промежуточных “стенок”, используя вещество с микронными размерами пор, то для обнуления теплообмена, будет достаточно вакуума на уровне десяти паскалей. Это, скорее, уже не вакуум, а умеренное разрежение, легко создаваемое простейшим вакуумным насосом, и легко поддерживаемое в запаянном сосуде десятилетиями.

Заметим, что микропористая прослойка между стенками выполняет ещё одну важную функцию, надёжно перекрывая тепловой поток излучения от горячей стенки к холодной.

В криогенной технике хитрые способы “улучшения” вакуума широко применяются с середины XX века. Но, по какой-то неведомой причине, о них не знают изготовители бытовых термосов.

Что ж, будем надеется, что теперь узнают.


Игорь Юрьевич Куликов


Содействуем в оформлении
патентов на изобретение.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800
Нина Николаевна Андреева



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку