XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Секрет термоса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сейфулин Д.А. 1

---

1МАОУ «Гимназия № 3 в Академгородке»

Ашихмина Т.Б. 1

---

1МАОУ «Гимназиz № 3 в Академгородке»

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Актуальность:

Люди часто пользуются термосом, не задумываясь о том, как он работает. Ведь даже через несколько часов обычный чай в термосе остаётся такой же горячий. На его температуру не влияет даже погода на улице. Что же помогает сохранить чай горячим? Из чего изготавливают термос? У меня появилось большое желание, понять принцип работы термоса, в чем секрет термоса, узнать об этом изобретении, как можно больше.

Данная работа будет посвящена рассмотрению вопроса о термосе и его устройстве, а также способам изготовления термоса в домашних условиях.

Сегодня термосы популярны у людей самых разных профессий и в быту. Например, термопосуда актуальна в следующих ситуациях:

• Во время работы из дома или в офисе термокружки полезны всем, кто любит пить горячий кофе или чай, решая рабочие задачи. Офисные сотрудники могут брать с собой в термосе обед, чтобы съесть горячую домашнюю еду в перерыв, в том числе где-нибудь вне здания, если погода хорошая. В емкостях напитки и еда не остывают и не проливаются.

• Летом в термосе можно брать с собой на прогулку, на дачу или к реке холодные напитки – чай и кофе со льдом, лимонады, молочные коктейли. Они будут оставаться освежающими в течение нескольких часов. В жару трудно это недооценить.

• Термосы незаменимы в долгой дороге, это идеальное решение, чтобы перекусить в машине, самолете или поезде, где цены на еду высокие или ее нет вовсе. Также в них можно передать готовую горячую еду близким на работу, в больницу, в путь. Емкости не только сохраняют тепло, не протекают, но и не пропускают наружу запахи, благодаря чему можно не беспокоить соседей по купе до самого обеда, когда вы сами откроете крышку и выпустите аппетитный аромат свежей горячей еды или любимого напитка.

• Термос – актуальный подарок. Термопосуду можно дарить на любой праздник, особенно «походному» человеку или автолюбителю, она полезна и у нее вполне доступная цена. Кроме того, что это вещь с очевидной полезной функцией, для которой найдется практичное применение, это еще и стильный аксессуар. Сегодня на рынке очень много изделий с интересным ярким дизайном, есть из чего выбрать оригинальный и запоминающийся подарок.

Тема: Термос

Цель: Изучить устройство термоса и изготовить термос в домашних условиях.

Задачи:

Изучить историю создания и устройство термоса;

Выяснить, от чего зависит способность термоса сохранять температуру;

Определить, какие термосы лучше сохраняют тепло;

На основе полученных данных собрать свою модель термоса.

Что такое термос?

Термос (в переводе с греческого) "therme" - горячий. Такое название сосуду дал житель Мюнхена.

Термос - вид бытовой теплоизоляционной посуды для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры продуктов питания, по сравнению с температурой окружающей среды.

История создания термоса

Известный шотландский химик XIX века Джеймс Дьюар совершил целый ряд открытий в области физики и химии, но, пожалуй, в народе он запомнился, благодаря своему бытовому изобретению.

В 1892 году Джеймс Дьюар разработал изолирующую колбу, которая известна в науке под названием сосуд Дьюара. Конечно, колба была изобретена для хранения химикатов, но именно она стала моделью современного термоса.

В 1903 году берлинский производитель стеклянных изделий Рейнгольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара, изобретённый в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром. Для удобного использования этого сосуда в быту (хранения напитков), он добавил к нему металлический корпус, пробку и крышку-стаканчик. Также, им была разработана система поддержки внутренней стенки колбы, так как она держалась только в одном месте у горловины сосуда и из-за этого легко ломалась при активном использовании

В 1904 году впервые в хозяйственных целях была выпущена первая партия термосов. Устройство настолько было совершенно и просто в применении, что не изменилось практически и по сей день.

Термос стали широко использовать в научных экспедициях многие исследователи. Он стал бортовой принадлежностью самолётов. С термосом было удобно летать даже на воздушном шаре. Простые люди также стали широко использовать термос в своей жизни.

В наше время термос – доступный, удобный и полезный предмет, который имеется в каждом доме.

Устройство термоса, предназначенного для хранения жидкостей

Термос состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность этих стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками выкачан воздух. Чтобы защитить стеклянный корпус термоса от повреждений, его помещают в картонный или металлический футляр 3. сосуд закупоривают пробкой 2, а сверху футляра навинчивают колпачок 1.

.

Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Отсутствие воздуха между его стенками препятствует теплопроводности, а блестящий слой на внутренней поверхности термоса препятствует передаче энергии излучением. За счет этого и достигаются минимальные потери тепла.

Современный термос в разрезе

Изучив разные источники информации, я понял, что принцип работы термоса построен на трех типах теплопередачи: теплопроводности, конвекции.

Теплопроводность – это способность материальных тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела или от более нагретого тела к менее нагретому, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела. Ну, или простым языком – это способ передачи тепла при непосредственном соприкосновении.

Конвекция – это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями жидкости и потоками газов. Как, например, обогрев комнаты батареей: воздух около батареи нагревается, становится легче и поднимается наверх, а холодный, наоборот, опускается вниз.

Чтобы термос хорошо сохранял температуру, нужно свести к минимуму потери энергии. Теплопроводность в термосе снижается за счет вакуума, созданного между стенок колбы. Внутренняя колба нагревается, но при этом соприкасается только с узким горлышком, за счет которого идёт потеря тепла, а в созданном вакууме отдавать тепло некуда – там практически нет молекул. Конвекцию можно снизить налив термос до краев, чтобы там не оставалось места для воздуха (чем больше воздуха в термосе, тем быстрее остынет его содержимое). А потери тепла за счет излучения сокращаются, когда на колбу термоса наносится зеркальное напыление, практически всё излучаемое тепло отражается от стенок сосуда обратно.

Фото термосов размеры, особенности

Существуют несколько разновидностей термосов:

• Термосы для напитков — самый распространенный тип термосов, предназначены для горячих напитков, имеют компактные размеры и вытянутую цилиндрическую форму, легко помещаются в рюкзак или сумку. Термосы для напитков отличаются от других типов термосов узкой горловиной диаметром 25-55 мм. Узкая горловина обеспечивает таким термосам минимальные теплопотери, благодаря чему они лучше термосов других типов держат температуру. Пробка может быть обычной винтовой или с клапаном. Крышка термоса может использоваться как стакан.

• Термосы с крышкой-помпой — предназначены для хранения жидкостей, при нажатии на кнопку на крышке термоса из носика сбоку термоса польется горячая жидкость. Термосы с крышкой-помпой имеют большой объем и предназначены для перевозки на автомобиле, а не для ношения с собой. Термосы с крышкой-помпой хорошо сохраняют температуру, так как крышка не снимается при наливе жидкости. Термосы с крышкой-помпой хорошо подходят для использования дома, на пикнике, на даче, в автомобильной поездке. Большого объема такого термоса хватит для обеспечения горячим напитком даже большой семьи

• Термокружка (термочашка, термостакан) — термосы объемом 0,25-0,5 литра, имеющие форму кружки или стакана, рассчитаны на одного человека. Двойные стенки термокружки помогают сохранять напиток горячим. Термокружки удобны для коротких поездок по городу, поездок в офис, велопрогулок. Термокружки оснащаются открывающейся крышкой или клапаном, которые можно открывать и закрывать одной рукой в автомобиле или велосипеде, не отвлекаясь от дороги.

• Универсальные термосы — являются промежуточным вариантом между термосами для жидкости и пищевыми термосами, имеют горловину среднего размера, что позволяет как наливать в них как напитки, так и горячую пищу. Универсальные термосы могут использоваться в быту, кемпингах, автотуризме и путешествиях.

• Пищевые термосы — предназначены для хранения и транспортировки первых и вторых блюд, а также мороженного. Объем пищевых термосов обычно составляет от 0,5 до 2 литров. Пищевые термосы имеют широкую горловину практически равную диаметру корпуса, из-за широкой горловины пищевые термосы не могут похвастаться хорошим сбережением температуры. Многие пищевые термосы комплектуются ложками и вилками, которые крепятся к корпусу термоса или складываются и прячутся под крышку.

• Судковые термосы — особый вид пищевых термосов, внутри которых друг на друга помещаются 2-3 пластиковых или металлических герметичных контейнеров (судков). Судковые термосы позволяют одновременно хранить и перевозить три разных вида блюд, например: первое блюдо, второе блюдо и холодную закуску. Объем каждого судка может составлять от 0,4 до 0,7 литра. Судковые термосы позволяют сохранить тепло домашних блюд в местах вдали от дома.

Объем термоса

Термосы отличаются друг от друга по объему вмещаемой жидкости:

• 0,25-0,7 л — термокружки (термостаканы) предназначенные для разовой порции горячего чая или кофе. Термокружки (термостаканы) имеют небольшой вес и не занимают много места, их удобно носить с собой на работу, во время прогулок по городу или парку, во время поездок на автомобиле или велосипеде

• 0,7-1 л — оптимальный объем термоса для одного человека, термос такого объема легкий и компактный, он подходит для прогулок, недолгих выездов на природы и непродолжительных походов

• 1-1,2 л — оптимальный объем термоса для одного человека на сутки, либо для двоих человек на более короткий период времени

• 1,2-1,7 л — оптимальный объем термоса для двоих человек на сутки

• 2 л и больше — термос такого объема хорошо подходит для компании от 3 человек и больше, такие термосы можно брать в автомобильные путешествия, на пикники

• При выборе термоса следует выбирать термос, который по своему объему оптимально соответствует вашим потребностям. Слишком большой по объему термос будет неудобен из-за большого веса и габаритов. Слишком маленький по объему термос не сможет обеспечить вас нужным количеством горячего напитка и будет быстрее терять температуру.

Сохранность температуры

Разные термосы по-разному сохраняют температуру. Серьезные производители обязательно проводят испытания своих термосов для определения их теплоизолирующих характеристик и указывают их в виде срока, в течении которого напиток будет оставаться горячим, на самом термосе или в прилагаемой к нему инструкции.

Лучше всего держат температуру термосы для напитков с узкой горловиной и термосы с крышкой-помпой, чуть хуже держат температуру универсальные термосы, хуже всего с этим справляются пищевые термосы и термокружки, из-за своей широкой горловины.

Время сохранения температуры зависит от объема помещенной в него жидкости, чем больше объем, тем дольше сохраняется температура. Чем меньше заполнен термос, тем быстрее он остывает, поэтому старайтесь заполнять термос полностью. Чем чаще вы открываете термос, тем быстрее он остывает, поэтому старайтесь открывать термос как можно меньше и не держите его открытым.

Хороший термос объемом 0,7 литра при заполнении его горячей жидкостью температурой в +95 °С, сохраняет температуру на уровне в +80 °С через 6 часов, температуру на уровне в +70 °С через 12 часов и температуру на уровне в +50 °С через 24 часа.

Материал корпуса

Корпус термоса может быть изготовлен из разных материалов:

• Металлический корпус — имеет высокую прочность и стойкость к ударам, поэтому хорошо подходит для походов, охоты, рыбалки и других видов активного времяпровождения на свежем воздухе

• Пластиковый корпус — обладает более легким весом и более низкой стоимостью, менее прочен и устойчив к ударам, чем термос с металлическим корпусом, термос с пластиковым корпусом лучше подходит для использования дома, на работе и на даче

Внешнее покрытие корпуса

С внешней стороны корпус термоса может быть покрыт эмалью, силиконом или мягкой резиной, либо не иметь никого покрытия. При активном пользовании термосом эмаль со временем царапается и слезает, покрытия из силикон и мягкой резины теряют свой внешний вид. Термосы же из чистой нержавеющей стали без какого-либо покрытия остаются практически в неизменном виде, царапины и потертости на них практически незаметны.

Корпуса термокружек и термостаканов часто имеют покрытие из силикона, тефлона или мягкой резины. Они эксплуатируются в намного более щадящих условиях, чем обычные термосы, а покрытие снижает скольжение при удержании их в руке.

Материал колбы

Материал колбы оказывает значительное влияние на продолжительность сохранения температуры и надежность термоса. Существуют несколько основных материалов для изготовления колб термосов:

• Стальная колба — прекрасный вариант как для хранения напитков, так и продуктов. Колба из нержавеющей стали отлично сохраняет температуру, устойчива к ударам и падениям, не впитывает в себя запахи. Термосы с колбой из нержавеющей стали отличаются прочностью и надежностью, и хорошо подходят как для домашнего использования, так и для использования в походах и путешествиях. В термосах с колбами из нержавеющей стали не рекомендуется хранить молоко и кисломолочные продукты, кислые соки, газированные напитки. Эти продукты могут вступать в реакцию и окислять во взаимодействии с материалом колбы. К недостаткам стальных колб можно отнести их несколько более тяжелый вес и трудности при мытье, из-за хорошо пристающих к колбе частичек пищи, следов от заварки чая и кофе.

• Стеклянная колба — колбы для термосов традиционно изготавливали из стекла. Стеклянные колбы покрывают отражающим зеркальным напылением для улучшения их теплосберегающих свойств. Колбы из стекла обеспечивают наилучшее качество хранения продуктов, хорошо держат температуру, не впитывают запахи, легко моются и не подвержены коррозии. Недостатком стеклянной колбы является ее хрупкость, при ударе или падении термоса на пол стеклянная колба разбивается. Для предотвращения повреждения колбы в термосы со стеклянной колбой не рекомендуется помещать твердые замороженные продукты и лед. Для защиты стеклянной колбы от повреждения в термосы добавляют заполнение из твердого теплоизолирующего материала, но он не обеспечивают стеклянной колбе полной защиты. Термосы со стеклянными колбами больше подходят для домашнего использования, чем для походов и поездок.

• Пластмассовая колба — обладает более легким весом, чем стеклянная и металлическая колбы и не боится ударов. Пластмассовая колба хуже других колб держит температуру и сильно впитывает в себя запахи и красители, а при последующем нагреве их также легко их выделяет. Если вы нальете в термос с пластиковой колбой крепкий кофе, то все последующие напитки будут иметь его запах и вкус

Тип горловины

Горловина термосов может иметь разный размер:

• Узкая горловина — применяется у термосов предназначенных для напитков, термосы с узкой горловиной лучше других сохраняют температуру

• Средняя горловина — применяется у термосов универсального назначения, в которых можно хранить как еду, так и напитки

• Широкая горловина — применяется у термосов предназначенных для пищи, термосы широкой горловиной хуже других сохраняют температуру

Тип пробки

Термосы могут оснащаться пробкой двух типов:

• Откручивающаяся пробка — применяется на многих термосах для напитков, на большинстве универсальных и на всех пищевых термосах. Многие современные термосы для напитков имеют специальные пазы на откручивающейся пробке, которые позволяют наливать напиток, отвернув пробку всего на 1-1,5 оборота и не откручивая ее полностью. Термосы с откручивающимися пробками надежны и долговечны, такую пробку практически невозможно сломать. Недостатком термосов с откручивающимися пробками является необходимость использования двух рук для открытия термоса и невозможность сделать это на ходу.

• Кнопочная пробка — применяется на термосах для напитков. Для того чтобы налить напиток достаточно нажать кнопку. Термосы с кнопочными пробками хорошо держат температуру, позволяют пить на ходу и открывать термос одной рукой. Кнопочный механизм пробки нуждается в чистке и тщательном промывании, в противном случае кнопка засорится, начнет заедать, протекать и в конце концов совсем сломается. В термосы с кнопочными пробками не рекомендуется заваривать листовой чай, молотый кофе, наливать, содержащие твердые примеси, морсы и компоты.

Наличие ручки

Термосы большого объема, которые не всегда можно обхватить одной рукой, часто оснащаются ручкой. Ручка может быть стационарной, складной и в виде мягкой ленты из силикона или нейлона. Стационарные ручки подходят для термосов, которыми вы пользуетесь дома или возите в машине. Мягкие и складные ручки удобны для термосов предназначенных для походов и прогулок. Термосам небольшого объема ручка обычно не нужна.

Кружки, чашки

Большинство термосов оснащены навинчивающейся крышкой, которую можно использовать чашку-пиалу для питья. Некоторые термосы содержат дополнительные пластиковые чашки-пиалы спрятанные под крышкой термоса. Внутренними чашками также иногда оснащаются пищевые термосы, такие чашки используются для накладывания порции пищи.

ПРАВИЛА ПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОСОМ

1. Перед использованием необходимо залить термос до горловины кипятком и, плотно закрутив пробку, оставить его на 30 минут в помещении. Если в течение этого времени корпус термоса нагреется - термос неисправен и его необходимо вернуть продавцу.

2. Термосы с пневмонасосом и термосы, в которых используются пластиковые контейнеры, во избежание пролива напитков и жидких блюд, необходимо хранить и переносить только в вертикальном положении.

3. Перед началом использования необходимо промыть термос теплой водой.

4. Горячие продукты дольше останутся горячими, если предварительно прогреть термос, залив в него перед заполнением горячей воды.

5. Холодные продукты дольше останутся холодными, если перед заполнением термоса добавить ледяные кубики.

6. Во избежание ожогов при откручивании крышки, не переполняйте термос, оставляя некоторое пространство внутри термоса.

7. Термос не допускается использовать в микроволновых печах, держать вблизи нагревательных приборов, мыть щелочными растворами.

8. Не рекомендуется хранить в термосе газированные и соленые напитки и оставлять жидкость на срок более 24 часов

Практическая часть.

Какие термосы лучше сохраняют тепло?

Для ответа на вопрос «Какая колба лучше сохраняет тепло – стеклянная или металлическая? Зависит ли скорость остывания жидкости от объема термоса?» мы воспользуемся:

·  термосами с металлической колбой объёмом 1л.

·  термосами со стеклянной колбой объёмом 1 л.

·  термометр с пределом измерения до 150°С,

Также,  нам понадобятся часы для отсчёта времени и вода с начальной температурой 95°С (кипяток).

Наш эксперимент будем проводить при комнатной температуре 25°С. На протяжении 4 часов с интервалом в 1 час будем производить измерения температуры воды в термосах.

В результате нашего эксперимента мы получили:

Анализ результатов эксперимента:

Все исследованные термосы показали очень высокий результат: в течение 4 часов все термоса сохраняют температуру воды более 84°С.

Можем сделать вывод: термос со стеклянной колбой лучше сохраняет тепло и, кроме того, чем больше объем термоса, тем лучше он сохраняет тепло.

При выборе термоса в магазине покупатели могут воспользоваться следующими рекомендациями:

-  Термосы со стальной колбой хуже удерживают тепло, чем термосы со стеклянной колбой.

- Чем больше объем термоса, тем лучше он сохраняет температуру.

- Наиболее практичными является металлические термосы.

- При покупке термоса необходимо: узнать название производителя, его адрес и найти отметку о времени активной работы термоса на корпусе или в паспорте; лучше отдать предпочтение металлической колбе, колба в термосе должна быть тщательно закреплена и не должна иметь резкого запаха; корпус термоса не должен нагреваться.

Таким образом, в ходе нашего исследования мы достигли целей нашей работы: исследовали имеющиеся термосы на способность сохранять тепло и их свойства, обеспечивающие удобство и практичность для использования в повседневной жизни.

Изготовление термоса в домашних условиях

1) Для модели термоса нам потребуются следующие материалы и инструменты:

• Пластиковая бутылка 1.5 литра

• Стеклянная бутылка 0.5 литра

• Скотч

• Фольга

• Монтажная пена

• Ножницы

2) Подготовка пластиковой бутылки

Б еру пластиковую бутылку емкостью 1.5 литра. Режу ее вдоль. Срезаю у нее винтовую часть горлышка. Разрезаю бутылку вдоль. Эти части потребуются для изготовления корпуса термоса.

3) Обертывание стеклянной бутылки фольгой.

Обертываю стеклянную бутылку несколькими слоями фольги, примерно 3 слоя. Слой фольги должен быть на стенках и дне бутылке.

Чтобы фольга хорошо держалась на бутылке, фиксирую ее малярным скотчем. Бутылка будет играть роль колбы.

4) Совмещаю колбу с внешним корпусом, фиксирую с помощью колышек из пробки. Заполняю пространство между колбами монтажной пеной.

5) Модель термоса готова

Поняв принцип работы, я понял, как можно проверить хорошо ли термос будет сохранять тепло. Нужно наполнить его кипятком и проверить, будет ли нагреваться внешний корпус. Если нагреваться он не будет, значит термос внутри не поврежден и температура от внутренней колбы к внешней не передается. А если нагреется, значит что-то с термосом не так и вакуума между стенок нет. Такой термос будет плохо держать температуру.

Вывод:

Моя экспериментальная работа по изготовлению моделей термосов и исследования температурных значений воды доказала, что изготовить термос в домашних условиях вполне реально. У самодельных термосов есть свои плюсы:

-Использование подручных материалов.

- Низкая себестоимость такого изделия по сравнению с купленным термосом.

-Технологическая простота в изготовлении.

-Достаточная прочность изделия.

Но есть и минусы:

- Остывание или нагревание воды происходит быстрее, чем в заводских моделях.

- Внешний вид изделия не совсем привлекателен.

Самое главное, что я понял – изготовление термоса в домашних условиях возможно, если при этом учитываются все физические процессы протекающие внутри этого устройства.

Заключение

В ходе своей работы я узнал историю появления термоса и выяснил секрет устройства этого изделия, я понял суть протекающих в нём физических явлений. Это позволило мне сконструировать модель термоса. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы. Мой эксперимент по использованию самодельного термоса в домашних условиях можно считать удачным. Он доказал, что изготовление термоса в домашних условиях реально и выполнимо.

Источники информации

1. Большая книга вопросов и ответов/Пер . с итальянского О.А.Литвиновой, Е.В. Широниной .М.:ЗАО РОСМЕН-ПРЕСС,2019.-127с.

2. Большая книга знаний. М.: «Махаон». 2010 г. стр.409    . 

3. ГОСТ Р 51968-2002.Термосы бытовые с сосудами из стекла. Общие технические условия

4. Журнал «Популярная механика» – №3, 2005 год.

5. История изобретения термоса (перевод с англ.) http://www.thermosflasche.com/history.html    

6. Ожегов С.И., Н.Ю. Шведова «Толковый словарь русского языка» – М., 2002.

7. Рылёв Ю. И. XX век: энциклопедия. 5000 событий мирового технического прогресса. М.: «Звонница МГ». 2017 г.    

8. Хранитель тепло и холод :термос .Журнал Популярная механика (март 2005).

9.  Перышкин А. В. «Физика 8 класс». М: «Дрофа», 2018  

10.   Твои первые научные опыты. М.: «Литтерра».2011г.