Термос. Сосуд Дьюара

Если тело нагрето или охлаждено, то благодаря теплообмену с окружающей средой температура его будет постепенно изменяться и в конце концов сравняется с температурой окружающей среды. Чтобы сохранить температуру тела в достаточной степени неизменной длительное время, нужно ограничить теплопередачу, теплообмен между телом и окружающей средой.

Нам известно три типа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение, и поэтому нам надо ограничить все пути теплопередачи, если мы хотим снизить теплообмен между телом и окружающей средой. Именно такое проявляется при устройстве так называемых термосов (слово "терма" в переводе на русский означает "тепло").

Термос представляет собой сосуд с кожухом, но основной частью любого термоса, в частности бытового термоса, является так называемый сосуд Дьюара, мы его обычно называем баллоном. Вот у меня в руках сосуд Дьюара из бытового термоса. Стенки этого сосуда стеклянные, и между стенками - вакуум, пустота, отсюда выкачан воздух. Вы видите здесь отросток, через который шла откачка воздуха, и потом этот отросток запаяли. Кроме того, эти стеклянные стенки покрыты металлическим налетом. За счет того что здесь использовано стекло, здесь резко снижена теплопроводность, потому что теплопроводность стекла весьма мала. Дальше между стенками - разряженное пространство, вакуум, и поэтому здесь нет конвекции. И, наконец, зеркальное покрытие этих стенок предохраняет то вещество, которое находится внутри сосуда Дьюара, от излучения, нет теплообмена за счет излучения.

Необязательно баллон термоса выполняется из стекла. Вот один из бытовых термосов, в котором баллон выполнен из металла алюминия, тоже с достаточно низкой теплопроводностью.

На столике вы видите демонстрационный сосуд Дьюара. В этот демонстрационный сосуд Дьюара мы сейчас будем заливать жидкий азот. Жидкий азот имеет температуру -196°C, и поэтому, когда я заливаю жидкий азот в сосуд Дьюара, то вследствие резкого охлаждения сосуда азот быстро выкипает. Вы видите бурное кипение азота в этом сосуде Дьюара. Но постепенно этот стеклянный сосуд Дьюара охлаждается, и в конце концов (еще немножко подольем азот) бурное кипение жидкого азота прекращается.

Сейчас вы хорошо видите уровень жидкого азота в этом сосуде Дьюара, пузырьки, которые поднимаются вверх, идет кипение жидкого азота. Но кипение идет в достаточной степени медленно, и поэтому жидкий азот, несмотря на такую низкую температуру (перепад температур между внутренней частью сосуда Дьюара и окружающей средой сейчас составляет сейчас примерно 200°C), несмотря на такой большой перепад температур, тем не менее жидкий азот сохраняется достаточно долго в этом маленьком Дьюаре.

Промышленные сосуды Дьюара - это большие емкости. Это кожухи, вы видите, сами сосуды здесь подвешены внутри, они выполняются из алюминия, тоже сосуды с двойными стенками, из которых выкачан воздух. Эти два сосуда Дьюара, в которых хранят жидкий азот, отличаются друг от друга только своим объемом.

А вот здесь, справа вы видите большой сосуд, в котором хранят жидкий гелий. Жидкий гелий имеет температуру всего на 4,2°C выше абсолютного нуля. Температура жидкого гелия по шкале Кельвина составляет 4,2°, а по шкале Цельсия это будет -269°. Для того, чтобы сохранить гелий в сжиженном состоянии, уже не достаточно одного сосуда Дьюара, потому что при заливке жидкого гелия в такой сосуд из-за теплообмена будет практически мгновенно происходить выкипание, испарение жидкого гелия. Поэтому жидкий гелий хранят в двойном сосуде Дьюара. В этом сосуде фактически два сосуда Дьюара внутри. В наружный сосуд Дьюара заливают жидкий азот, получается такая оболочка из жидкого азота, а уже во внутренний сосуд Дьюара заливают жидкий гелий, который фактически огражден от теплообмена с окружающей средой оболочкой из жидкого азота.

Для того чтобы перелить жидкий гелий из этого большого сосуда в какую-нибудь емкость, в этот сосуд Дьюара с жидким гелием вставляют трубку и повышают давление над гелием в этом внутреннем сосуде Дьюара. И за счет этого давления гелий выдавливается и перетекает через трубку.

Давление внутри сосуда Дьюара с жидким гелием, давление паров гелия измеряется с помощью вот этого манометра. Сжиженные газы - а это могут быть не только жидкий азот и жидкий гелий, это может быть жидкий кислород, жидкий водород - жидкие газы широко используются в народном хозяйстве, в промышленности. В частности, жидкий кислород используется в металлургии, жидкий гелий используется в космической технике, в ракетостроении, для получения сверхпроводящих материалов и в целом ряде других производств.