Naczynie Dewara - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy naczynia. Zapoznaj się również z: Bartosz Słomka (pseudonim Termos), rysownik i scenarzysta komiksowy.

termos: po prawej rozłożony na części w celu pokazania szklanego naczynia Dewara – pozostałe elementy to blaszana osłona, plastikowy przykręcany do osłony uchwyt, uszczelka, zakręcany korek i dodatkowa pokrywa służąca jako kubek

Termos – naczynie o podwójnych ściankach, między którymi jest szczelna przestrzeń, w której panuje bardzo niskie ciśnienie, zwane próżnią techniczną. Naczynie to służy głównie do przechowywania substancji o dużej różnicy temperatury z otoczeniem.

Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny z grupy niemetali. Zawartość w górnych warstwach Ziemi wynosi 0,0019%. Stabilnymi izotopami azotu są 14N i 15N. Azot w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N2. W cząsteczce tej dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości). Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotany oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka i wiele innych). Azot w fazie stałej występuje w sześciu odmianach alotropowych nazwanych od kolejnych liter greckich (α, β, γ, δ, ε, ζ). Najnowsze badania wykazują prawdopodobne istnienie kolejnych dwóch odmian (η, θ).

Laboratorium – to miejsce, gdzie przeprowadza się tę część badań naukowych, która wymaga wykonywania wielu powtarzalnych eksperymentów w ściśle kontrolowanych warunkach.

Historia

Próżniowe naczynie o podwójnych ściankach zostało skonstruowane i użyte po raz pierwszy przez Jacques-Arsène d'Arsonvala. Prawie dziesięć lat później James Dewar wynalazł to naczynie niezależnie od d'Arsonvala.

Początkowo naczynia Dewara używane były w laboratoriach do przechowywania niewielkich ilości skroplonych gazów. W 1907 r. Reinhold Burger opatentował pomysł na umieszczenie szklanego naczynia Dewara w metalowej obudowie, która zabezpieczała je przed stłuczeniem, dzięki czemu stało się możliwe stosowanie go w gospodarstwie domowym do przechowywania gorących i zimnych napojów i potraw. Naczynie Dewara umieszczone na stałe w metalowej obudowie zostało nazwane termosem.

Przewodność cieplna, inaczej współczynnik przewodnictwa ciepła, (k lub λ), określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej.

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

Konstrukcja i zasada działania

Naczynie ze stali nierdzewnej do ciekłego azotu

Kluczowym elementem termosu jest naczynie Dewara ([djụ:əra]). Oryginalne naczynie Dewara było otwartym od góry cylindrem szklanym o podwójnych ściankach, pokrytych z obu stron lustrem srebrnym. Cylinder ten wykonuje się w ten sposób, aby między jego ściankami powstała przestrzeń, z której wypompowuje się powietrze, tak aby uzyskać możliwie jak najdoskonalszą próżnię techniczną w tym miejscu. Bardzo niskie ciśnienie gazu w tej przestrzeni gwarantuje skrajnie małą przewodność całego układu, gdyż niemal do zera spada możliwość przekazywania ciepła przez konwekcję.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Konwekcja – proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w płynie; gazie, cieczy bądź plazmie, np. powietrzu, wodzie, plazmie gwiazdowej. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym.

Same ścianki są bardzo cienkie, dzięki czemu, w trakcie ich schładzania lub ogrzewania wymieniają one minimalną ilość ciepła w momencie napełniania naczynia zimną lub gorącą substancją nie powodując zauważalnych zmian temperatury tej substancji.

Dodatkowo powierzchnie ścianek są zwykle pokrywane warstwą odbijającą światło aby zredukować do minimum wymianę ciepła przez promieniowanie. Od góry termos zamyka się korkiem z dobrego izolatora ciepła.

Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni. We współczesnej fizyce, technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni posiada zupełnie odmienne konotacje.

Srebro (Ag, łac. argentum) - pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym. Jest srebrzystobiałym metalem, o największej przewodności elektrycznej i termicznej. W przyrodzie występuje w stanie wolnym, a także w minerałach, takich jak argentyt czy chlorargyryt. Większość wydobywanego srebra występuje jako domieszka rud miedzi, złota, ołowiu i cynku.

Termosy stosowane w warunkach domowych mają zwykle pojemności rzędu do 1-2 litrów. Dawniej były wykonywane ze szkła oraz z tworzywa sztucznego służącego za obudowę. Obecnie coraz częściej stosuje się w pełni metalowe termosy, które mają nieco gorsze parametry izolacyjne niż termosy szklane ale ze względu na ich wytrzymałość wypierają z rynku tradycyjne termosy szklane.

Korek - zamknięcie naczynia - zazwyczaj butelki, ale niekiedy też słoja, albo termosu, bądź naczyń laboratoryjnych wykonane z nieprzepuszczalnego materiału. W zależności od przechowywanego w naczyniu medium - gazu, cieczy lub materiału sypkiego, korek winien być nieprzepuszczalny (szczelny) dla tego medium.

Uszczelka to wymienialny element umieszczany w miejscu połączenia dwóch innych elementów. Uszczelki wykonywane są przede wszystkim z gumy i innych tworzyw sztucznych. Uszczelki mogą być wykonane także z innych materiałów - nawet z metali lub ich stopów Kształt uszczelki może być dowolny.

W laboratoriach spotyka się zarówno termosy szklane, jak i metalowe. Służą one do przechowywania niskowrzących cieczy (np: ciekłego azotu), do umieszczania w nich próbek substancji, które muszą być przechowywane w stanie zamrożonym oraz jako łaźnie i płaszcze chłodzące. Termosy laboratoryjne mają pojemności od 100 ml do nawet 100 l. Termosy o dużych pojemnościach są zwykle produkowane ze stali nierdzewnej i zaopatrywane w zawory i króćce do przetaczania przechowywanych w nich cieczy.

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:

Izolator termiczny - substancja, materiał albo produkt o małej przewodności cieplnej. Dla materiałów budowlanych pracujących w temperaturach mniejszych od 100°C za izolatory uznaje się materiały o przewodności cieplnej mniejszej od 0,1 W/(m*K). W technice wysokich temperatur nawet do 10 W/(mK).

Przypisy

Nota o Jacques-Arsène d'Arsonvala w serwisie IEEE
Frank James: Chemistry Explained.
U.S. Patent 872,795, 1907-12-03.