Устройство термоса

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Устройство термоса

Гузаев С.Ю. 1
1МОУ СОШ №56 УИМ
Петрова Н.Н. 1
1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 56 с углубленным изучением математики» города Магнитогорска
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Я люблю мультсериал про фиксиков. В одной из серий они рассказывают про такой предмет, как термос. Раньше я думал, что термос можно использовать только для горячих напитков, а в мультфильме в термосе хранили мороженое, и оно не растаяло.

Я решил узнать, а для чего же ещё можно использовать термос? И можно ли его сделать в домашних условиях? Объект исследования – процесс сохранения температуры в термосе. Предмет исследования – устройство термоса. Гипотеза проекта заключается в том, что я предполагаю, что термос можно создать самостоятельно из подручных средств и материалов.

Основная цель проекта:

Исследовать устройство термоса и сделать свою модель термоса.

Задачи проекта

Исходя из цели проекта, были поставлены следующие задачи:

Изучить историю создания термоса;

Изучить устройство термоса;

Изучить от чего зависит способность термоса сохранять температуру;

Узнать какие виды термосов производят в настоящее время;

Выяснить какие из термосов лучше сохраняют тепло;

На основе полученных данных собрать свою модель термоса.

В ходе работы я использовал следующие методы:

изучение литературы;

поиск информации в Интернете;

наблюдение за изменениями и измерение температуры в термосах с разными материалами.

Глава 1. Принцип работы термоса и его создание

1.1. Что такое термос

Термос – от греческого thermos тёплый, горячий. Термос – это сосуд с двойными стенками, между которыми даже нет воздуха. Лучший тепловой изолятор – это пустота, поэтому из колбы с двойными стенками откачивают воздух, создавая так называемый вакуум. Молекулы горячего чая быстро движутся, но толкать им некого. Они толкают только друг друга, и всё тепло остаётся в чае. Сохранить это тепло на долгое время помогают и стенки сосуда, в который наливают чай. Они сделаны с зеркальным покрытием, способным отражать тепловые лучи и возвращать их вместе теплом обратно в чай. За счёт этого и достигаются минимальные потери тепла. Так как теплообмен между стенками термоса и окружающим воздухом минимален, то в нём хорошо сохраняются не только горячие, но и холодные жидкости.

По назначению различают бытовые термоса и термоса для общественного питания различной емкости. Их используют для хранения и перевозки продуктов. Существуют вагоны-термоса, термосы для бутылочек с детским питанием, термолотки, термосы для экстремального туризма со специальным клапаном, позволяющим пить буквально на ходу, большой термос с несколькими секциями, в котором можно сохранять горячим и первое и второе блюдо.

Принцип устройства термоса для сохранения тепла используют и в теплицах для роста растений. В теплицах делают стенки из двух щитов прозрачного пластика. Каждый вечер между ними закачивают водную пену, которая обеспечивает хорошую теплоизоляцию в ночное время. Утром под воздействием солнечного тепла оседает и превращается в жидкость, стекающую в коллектор, так открывается доступ света. А вечером весь процесс повторяется заново.

1.2. История изобретения 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 неотъемлемой частью современного термоса. Кстати, впервые в хозяйственных целях первая партия термосов была выпущена в 1904 году. Устройство настолько было совершенно и элегантно, что не изменилось практически и по сей день.

Н едаром говорят, что великие изобретения свершаются, когда на пути возникает трудность, или препятствие. Дьюара на изобретение подтолкнула необходимость создания надежного контейнера для хранения сжиженных газов при очень низкой температуре. Так он придумал контейнер со специальной "рубашкой" с двойными посеребрёнными стальными или стеклянными стенками, между которыми был вакуум. Этот самый вакуумный слой оказался настолько эффективным (так как защищал газ от нагревания), что появилась возможность хранить газ даже в жидком состоянии гораздо дольше, чем это было возможно ранее. Благодаря изобретению колбы Дьюара химики смогли изучить свойства сжиженного газа более подробно.

Сосуд Дьюара в Немецком музее

К сожалению, Джеймс Дьюар не запатентовал свое изобретение вовремя, поэтому коммерческая версия термоса для людей была разработана немецкой компанией "Thermos" и продавалась с большим успехом. Интересно, что термос сначала называли флягой, а затем флягу компании "Thermos" в народе просто стали называть одним словом "термос". Когда название прижилось, компания-производитель наложила на него патент в 1963 году в США, так у термоса появился товарный знак. Жаль, что сам Джеймс Дьюар не насладился коммерческим успехом своего изобретения, актуального и по сей день.

Приобретая статус изделия, широко пользующегося спросом, термос был использован во многих известных экспедициях, таких как: экспедиция лейтенанта Е.Н. Шакелтона на Южный Полюс; экспедиция лейтенанта Роберта Е. Пеари на северный полярный круг. Термос стал неотъемлемой бортовой принадлежностью самолетов, его использовали в перелетах на воздушном шаре.

В наше время термос – доступный, удобный и полезный предмет. А можно ли изготовить термос в домашних условиях? Я решил ответить на этот вопрос.

2.1. История возникновения

В далеком 1892 году шотландский физик и химик Джеймс Дьюар (Приложение Б) изобрел двустенную колбу с узким горлом, усовершенствовав стеклянный контейнер для хранения сжиженных газов ранее придуманный немецким физиком А.Ф. Вейнхольдом. Между стенками колбы был откачан воздух, а узкое горло обеспечивало уменьшенное испарение жидкости.

Такая конструкция впервые помогла получить и сохранить твердый и жидкий водород. Именно сосуд Дьюара (Приложение В) стал прототипом современного термоса. Однако, идея об использовании сосудов Дьюара в быту принадлежала одному из его учеников – Рейнгольду Бургеру (Приложение Г).

В 1903 году берлинский производитель стеклянных изделий Рейнгольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара. 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 том же году был объявлен конкурс на лучшее название торговой марки для нового изобретения, в котором победил один из жителей Мюнхена, предложивший название «Термос» (от греч. therme — горячий). Бургер основал одноимённую фирму Тhermos-Gesellschaft m.b.H. (Тhermos GmbH) по выпуску термосов, и с марта 1904 года эта торговая марка стала использоваться в коммерческих целях.

Сосуды Дьюара не были запатентованы, их изобретатель — Джеймс Дьюар — считал, что они не будут иметь коммерческого успеха, поэтому, когда он узнал, что Рейнгольд Бургер обогатился за счет его изобретения, он обратился в суд с прошением о возмещении нанесённого Бергером ущерба (он потребовал 50% прибыли), его иск остался неудовлетворённым. Тогда изобретатель сосуда решил в некотором смысле отомстить своему обидчику и распространил информацию о том, что использование термоса является опасным для здоровья, в результате чего, уже за первую неделю продажи упали на 70% и
Р. Бургер был вынужден признать свое поражение в этом споре.

Начиная с середины 20-х годов прошлого века, термосы вновь обрели свою популярность, и активно используются и по сей день.

Первыми по достоинству оценили изобретение Бургера лётчики, ведь в воздухе как нигде сильна потребность в горячем напитке, тем более, что в то время самолёты-»этажерки» ещё были открытыми, и пилот в буквальном смысле слова сражался с ветром. Благодаря этим отважным людям в пользу термоса поверили и простые жители, и вскоре благодаря своей функциональности и практичности он стал популярной вещью, оставаясь ею до сих пор.

С историей возникновения разобрались. Далее, чтобы понять, какой термос лучше использовать, надо лучше изучить его устройство.

1.3. Устройство термоса

Основной элемент термоса — колба (сосуд Дьюара) из стекла или нержавеющей стали с двойными стенками, между которыми откачан воздух (создан вакуум) для уменьшения теплопроводности и конвекции между колбой термоса и внешней средой. Для уменьшения теплового излучения внутренние поверхности стеклянной колбы покрывают слоем из отражающего, зеркального материала. Наружный корпус термосов со стеклянной колбой изготавливается из пластмассы, стекла или металла (Приложение Д), колба из металла одновременно является корпусом термоса (Приложение Е).

Стеклянная колба крепится в корпусе резиновым кольцом в горловине и амортизатором (пробка на пружинящей металлической пластинке) на донышке (Приложение Д).

Существуют разные виды термосов: для еды, для напитков и универсальные. Термосы для еды имеют более широкое горлышко, чтобы было удобно закладывать и доставать пищу. Универсальные термосы имеют широкую горловину, но в пробке предусмотрено дополнительное узкое отверстие для удобства наливания напитков.

Просматривая информацию о разных термосах, я узнал, что можно не только хранить в них продукты, но и готовить еду прямо в термосе. Правда, для этого понадобится больше времени, чем при приготовлении на плите, но в походных условиях это должно быть очень удобно. Или если неожиданно отключили газ.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Принцип работы термоса

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

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.

И, наконец, излучение – это процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц. Ну, то есть, все тела излучают невидимые волны или лучи, передающие тепло от них к другим телам. И чем выше температура, тем больше этих волн излучается. Это можно проверить опять же на примере батареи: если батареи открыты до конца то от неё исходит больше тепла, чем если она открыта только на половину. Лучи тепла светлыми и зеркальными поверхностями отражаются, а темными – поглащаются, поэтому летом люди стараются одевать светлую одежду, чтобы не было жарко, а зимой темную, чтобы было теплее.

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.

Поняв прицип 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.

Изучив историю создания, устройство и принцип работы термоса, я решил выяснить, знают ли мои одноклассники о термосе столько же, сколько теперь знаю я. Я провел анкетирование, в котором было несколько вопросов про термосы.

2.2. Анкетирование

Я составил анкету (Приложение Ж), раздал одноклассникам и обработал результаты.

После того, как я проверил все листочки с ответами, у меня получились следующие результаты:

Проанализировав получившийся результат, я пришел к следующему выводу:

После этого, я решил проверить все термосы, какие у нас были дома.

2.3. Проведение опытов

Опыт №1

В наличии: большой термос со стеклянной колбой, большой металлический термос, 2 маленьких металлических термоса (у одного обычная винтовая пробка, у второго пробка с кнопкой), термокружка, термометр, часы (Приложение И).

Мы залили кипяток во все термосы до краев и закрыли крышками.

По наблюдениям через несоклько минут термокружка и большой металлический термос нагрелись. Я предположил, что в них вода остынет быстрее всего. У маленьких металлических термосов нагрелись только крышки. У стеклянного термоса не нагрелось ничего. Я предположил, что стеклянный термос сохранит температуру воды дольше всех остальных. Я измерял температуру каждый час, в течении 4 часов (Приложение К). Результаты я занес в Таблицу 1(Приложение Л).

Изучив полученные результаты, я сделал вывод, что мои предположения оказались верными. Термокружка и большой металлический термос хуже всех сохранили тепло. Лучше всех сохранил тепло большой термос со стеклянной крышкой. Из двух маленьких термосов лучше оказался термос с винтовой крышкой – через неё тепло просачивается хуже, чем через пробку с кнопкой.

Опыт №2

Теперь пришло время создать свой собственный термос. В интернете есть много инструкций по созданию термоса в домашних условиях, но в большинстве из них используются пластиковые бутылки. Зная, что пластик деформируется от высоких температур, я решил взять вместо пластиковых бутылок стеклянные банки.

В наличии: 3 банки маленького размера с крышками, 3 банки большого размера с крышками, вата, бумага, пенопласт, фольга, часы, термометр (Приложение М).

Для того, чтобы излученное тепло возвращалось обратно в банку, мы обернули каждую маленькую банку фольгой.

(Приложение Н)

Далее, мы заполнили большие банки теплоизоляторами. В одну банку поместили вату, во вторую бумагу, в третью раскрошили пенопласт. Потом поместили туда банки меньшего размера. Полученный результат можно посмотреть в Приложении П.

Мы залили в банки кипяток и также в течении 4 часов измеряли температуру воды в банках (Приложение Р). Результаты измерений я занёс в таблицу 2 (Приложение С).

Из полученных данных я сделал вывод, что вата является лучшим теплоизолятором.

Тогда я решил проверить: будет ли результат таким же для сохранения холода.

Опыт №3

В наличии: самодельные термосы из предыдущего опыта и снег.

Я положил в маленькие банки одинаковое количество снега, а так же, чтобы не пропустить момент проверки, положил такое же количество снега в обычную банку. Когда снег в обычной банке растаял, я посмотрел в термосы – там по прежнему был снег. Немного подтаявший, но везде примерно одинаково. Спустя 3 часа снег почти растаял во всех термосах (Приложение Т). Я не придумал, как определить в домашних условиях, в каком осталось больше снега, поэтому я решил подождать еще несколько часов и измерить температуру растаявшего снега (Приложение У). Результат я занёс в таблицу 3. (Приложение Ф)

Из полученных результатов я сделал вывод, что вата является лучшим теплоизолятором из представленных вариантов.

Посмотрев на наши самодельные термосы, я подумал, что брать с собой такой очень неудобно, поэтому решил собрать ещё один вариант термоса, который удобно было бы брать с собой.

Опыт №4

В наличии: стеклянная бутылка, пластиковая бутылка большего размера, вата, фольга, изолента (Приложение Х).

Я взял стеклянную бутылку, обернул её фольгой и закрепил фольгу изолентой, чтобы она не смещалась и случайно не порвалась (Приложение Ц).

Потом я расстелил фольгу, разложил на ней вату и обернул всем этим мою бутылку. Снова закрепил всё изолентой (Приложение Ш).

Далее я отрезал у пластиковой бутылки горлышко и сделал разрез сбоку, начал вставлять в эту бутылку стеклянную и обнаружил, что моя стеклянная бутылка туда не помещается. Пластиковую бутылку пришлось взять побольше. В промежутки между стенками бутылок я добавил ещё ваты. Разрез на пластиковой бутылке закрепил изолентой (Приложение Щ). Потом я обмотал бутылку еще одним слоем фольги и изолентой, чтобы придать термосу более эстетический вид (Приложение Э).

Заключение

Изучив устройство и принцип сохранения тепла в термосе, я пришел к следующим выводам.

Я пришёл к выводу, что термос действительно можно сделать своими руками, и, как показало анкетирование, многие знают, как он устроен и могут сделать его в домашних условиях. Моя гипотеза подтвердилась.

Подведя итог, можно со смелостью сказать, что термосы нам нужны в жизни. Для кого-то это просто средство для долгого продолжения согрева воды, для кого-то средство для выживания, а для кого-то просто любопытство.

Самодельные термосы, в которых использовались вата и бумага, оказались самыми надёжными для сохранения тепла. Вата и бумага хорошие теплоизоляторы, так как относятся к пористым веществам и не дают воде быстро остывать.

Фольга хуже удерживает тепло, зато хорошо его проводит.

Конечно, самодельный термос уступает по своим свойствам заводскому, но всё-таки на небольшой промежуток времени (1-2 часа) на него можно рассчитывать, если заменить внутреннюю жестяную банку на стеклянную. Считаю, что моё исследование имеет практическое значение и может пригодиться учащимся начальной школы в вопросах быта.

Список использованной литературы

«Большая книга вопросов и ответов»/Пер. с итальянского О.А.Литвиновой, Е.В. Широниной. М.: ЗАО «РОСМЕН-ПРЕСС», 2007. – 232с.

«Занимательные опыты и эксперименты /[Ф. Ола и др.]. – М.: Айрис-пресс, 2006. – 128с.

«Физика – юным». Сост. М.Н. Ергомышева – Алексеева. М., «Просвещение», 1969. – 184с.

«Я познаю мир»: Дет. энциклопедия: Физика/Сост. Художник А.А.

http://www.sobirau.ru/articles/drugoe/2013-09/udivitelnaya-istoriya-termosa.html

https://ru.wikihow.com/%D1%81%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B0%D1%82%D1%8C-%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D1%81

https://survival.com.ua/prigotovlenie-termose-kashi-drugih-blyud-polpoh-uslovh-sootnoshenie-krupyi-vodyi/

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

Краткая энциклопедия домашнего хозяйства.—М.:БольшаяСоветскаяЭнциклопедия. Подред.А. ФАхабадзеАЛГрекулова1976.

Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн – М: ТКО «АСТ»,1995. – 480с.

Теромос // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. — М.: Государственное Научное издательство «Большая Советская энциклопедия», 1959

Хранить тепло и холод: термос. Журнал «Популярная механика» (март 2005). Проверено 17 июля 2012. Архивировано из первоисточника августа 2012.

Приложение

Приложение А1

Приложение Б2

Джеймс Дьюар  (англ. James Dewar
20 сентября 1842 — 
27 марта 1923) — шотландский физик и химик.

1 — подставка;

2 — вакуумированая полость;

3 — теплоизоляция;

4 — адсорбент;

5 — наружный сосуд;

6 — внутренний сосуд;

7 — горловина;

8 — крышка;

9 — трубка для вакуумирования

Приложение В3

Приложение Г4

Рейнгольд Бургер
(англ. ReinholdBurger,
12 января 1866 — 
21 декабря 1954
) — немецкий специалист по стеклу и изобретатель.

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К.1

Приложение К.2

Приложение К.3

Приложение К.4

Приложение Л

Таблица 1.

Вид термоса

Начальная температура воды, Со

Температура воды через 1 час, Со

Температура воды через 2 часа, Со

Температура воды через 3 часа, Со

Температура воды через 4 часа, Со

Термокружка

100,0

63,3

49,6

42,4

36,5

Маленький термос с пробкой с кнопкой

100,0

85,3

80,4

76,0

71,8

Маленький термос с винтовой пробкой

100,0

86,9

83,0

78,1

75,2

Большой металлический термос

100,0

82,1

71,7

62,5

56,6

Большой термос со стеклянной колбой

100,0

95,1

94,1

92,5

91,0

Приложение М

Приложение Н

Приложение П.1

Приложение П.2

Приложение Р.1

Приложение Р.2

Приложение Р.3

Приложение Р.4

Приложение С

Таблица 2.

Вид термоса

Начальная температура воды, Со

Температура воды через 1 час, Со

Температура воды через 2 часа, Со

Температура воды через 3 часа, Со

Температура воды через 4 часа, Со

С ватой

100

78,5

70,2

63,1

58,1

С бумагой

100

78,0

69,0

61,9

56,2

С пенопластом

100

77,0

67,6

61,5

55,4

Приложение Т

Приложение У

Приложение Ф

Таблица 3.

Вид термоса

Температура воды через 8 часов

С ватой

14,0

С бумагой

14,9

С пенопластом

15,3

Приложение Х

Приложение Ц

Приложение Ш

Приложение Щ

1 https://www.youtube.com/watch?v=0CYeVJqG-lM

2http://i.blogs.es/f8107d/termo2/650_1200.jpg

3http://chemistry-chemists.com/N3_2012/U1/Nirtoggen_f6.png

4 https://ic.pics.livejournal.com/p_syutkin/64914398/2201932/2201932_900.jpg

Просмотров работы: 16