Невероятная технология вакуума

Недавно я начал использовать вакуумную колбу 50-летней давности, принадлежавшую моему дедушке, чтобы мне не приходилось так часто выходить из темницы, чтобы добыть еще кофеина. Помимо того, что эта штука выглядит потрясающе на моем боковом столе, она по-прежнему работает как новая, по крайней мере, насколько я могу судить — она старше меня.

Конечно, это заставило меня задуматься, как именно работают вакуумные колбы, более известные в бытовых кругах как термосы, и как они были изобретены. Вакуумная колба – удивительно старая технология. Впервые он был изобретен шотландским химиком сэром Джеймсом Дьюаром и представлен Королевскому институту в 1892 году. Шесть лет спустя он стал первым человеком, который сжижал водород, и считается отцом-основателем криогеники.

В то время сжижение газов было дорогостоящим процессом, и важно было как можно дольше сохранять их в жидком состоянии. Колба сэра Дьюара состояла из двух колб, разделенных почти вакуумом, который выполняет большую часть работы по сохранению тепла. Тепло не может проходить через вакуум, поэтому содержимое остается при температуре гораздо дольше, чем вне колбы.

Эти сосуды имеют множество применений, помимо поддержания горячего кофе или чая со льдом. Они широко используются в промышленности, науке и медицине для самых разных целей: от сохранения жидкостей и тканей организма до измерения электроэнергии, записи погоды и определения скорости набора высоты самолета. Вакуумные колбы также используются в аппаратах МРТ для охлаждения сверхпроводящего магнита. И они до сих пор используются для поддержания жидкого состояния сжиженных газов.

Почему вакуумные колбы так эффективно сохраняют тепло? Это зависит от того, как на это смотреть, поскольку существует четыре основных способа описания теплопотерь: конвекция, проводимость, излучение и испарение.

Начиная сверху, плотно закрывающаяся крышка изолирует камеру и предотвращает передачу тепла как за счет конвекции, так и за счет испарения. Почти вакуум между внутренней и внешней колбами помогает дополнительно предотвратить потерю тепла за счет конвекции.

Тонкие стенки колбы предотвращают теплопроводность точно так же, как вы можете положить один развернутый лист алюминиевой фольги в тостер, установить его на нужную высоту и вытащить голыми руками, когда поджарится булочка с колбасой. Тонкие стенки имеют меньшую массу, поэтому не отводят тепло от жидкости внутри сосуда.

Раньше, когда колбы были покрыты стеклом, они имели серебряное покрытие, которое предотвращало потерю тепла за счет излучения. Людям надоело заменять термосы каждый раз, когда они его роняли, поэтому сегодняшние фляги с гораздо большей вероятностью будут покрыты сталью.

Оглядываясь назад в XXI век, легко предположить, что одновременно задумывались и о «горячих», и о «холодных» приложениях, но это не так. Вакуумная колба была не первой попыткой сэра Джеймса Дьюара в области долговременного поддержания температуры. Около двадцати лет назад вместе с физиком и соотечественником Питером Тейтом он разработал кубок с вакуумной изоляцией для сохранения тепла веществ. Вакуумная колба сэра Дьюара, предназначенная для охлаждения сжиженных газов, имела гораздо более узкое горлышко, чем горячий кубок, и была покрыта серебряным покрытием, предотвращающим потерю тепла из-за излучения.

Сэр Дьюар был известен своей вспыльчивостью. Он поссорился с Альфредом Нобелем из-за патента на кордит и так и не запатентовал свою вакуумную колбу. Один из его стеклодувов, Райнхольд Бургер, вместе с другим стеклодувом Альбертом Ашенбреннером обнаружили, что колба также сохраняет детское молоко теплым в течение нескольких часов, и осознали ее коммерческий потенциал. Они запатентовали термос в 1904 году. Позже сэр Дьюар проиграл судебное дело против компании. Хотя они признали его изобретателем, он не запатентовал свое изобретение, так что они были в своих правах.

Вот забавный факт о термодинамике, любезно предоставленный нами [Адамом Зелуфом]: пиво, лежащее на боку в холодильнике, остынет быстрее, чем вертикальная банка рядом с ним. Это связано с тем, что горизонтальные цилиндры имеют более высокую теплопередачу, чем вертикальные цилиндры, что касается естественной конвекции. Это касается любой жидкости в герметичном цилиндре, а не только газированной, алкогольной. Так что помните, что в следующий раз в винном погребе будут только теплые коробки Pabst Blue Ribbon и бутылки Club Mate. Охладите его боком, а затем перелейте в вакуумную колбу.