Termos

Termos

Wakacje. Podróże. Przemieszczanie się. Często zabieramy ze sobą termos z zimną wodą, herbatą, lodami, ale najczęściej z kawą. Ale jak właściwie działa termos i jak długo podczas podróży możemy cieszyć się ciepłą kawą. Zobaczmy.

Termos, znany również jako pojemnik izotermiczny, został wynaleziony przez szkockiego fizyka i chemika Jamesa Dewara w 1892 roku. Dewar zaprojektował termos, aby przechowywać materiały w ekstremalnie niskich temperaturach. Działa on na zasadzie izolacji próżniowej, która jest jednym z najskuteczniejszych sposobów zapobiegania przepływowi ciepła.

Ciepło może być przenoszone na trzy sposoby: przez przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie. Przewodnictwo to przepływ ciepła przez bezpośredni kontakt, konwekcja to przepływ ciepła dzięki prądom w cieczach lub gazach, a promieniowanie to przepływ ciepła za pośrednictwem fal elektromagnetycznych.

Termos składa się z dwóch naczyń, jednego umieszczonego wewnątrz drugiego, oddzielonych próżnią. Próżnia to miejsce, w którym nie ma materii, a więc nie ma cząsteczek powietrza, które mogłyby przewodzić ciepło. Dlatego próżnia jest doskonałym izolatorem, który zapobiega przepływowi ciepła przez przewodnictwo i konwekcję.

Wewnętrzne i zewnętrzne naczynie termosu są zwykle wykonane z metalu, który jest dobrym przewodnikiem ciepła. Jednak próżnia między nimi zapobiega przepływowi ciepła przez przewodnictwo. Ponadto, wewnętrzna powierzchnia termosu jest zwykle pokryta warstwą srebra lub innego metalu o wysokim połysku, który odbija promieniowanie cieplne z powrotem do wnętrza termosu, minimalizując straty ciepła przez promieniowanie.

Teorię mamy opanowaną. A praktyka?

Termos o pojemności 700 ml, wypełniony kawą o temperaturze początkowej 95 stopni Celsjusza, jest doskonałym narzędziem do utrzymania temperatury napoju na stałym poziomie przez długi czas. Jak to działa?

Dla termosu z kawą, możemy skorzystać z prawa Newtona dotyczącego stygnięcia, aby zrozumieć, jak szybko kawa będzie się ochładzać. Prawo to mówi, że tempo, w jakim ciało się ochładza, jest proporcjonalne do różnicy temperatur między ciałem a jego otoczeniem.

Matematycznie, to prawo można wyrazić następującym równaniem:

gdzie:
dT/dt to chwilowa szybkość zmiany temperatury ciała (w tym przypadku kawy)
T to temperatura ciała,
TR to temperatura otoczenia,
k to stała proporcjonalności, która zależy od właściwości termosu i kawy.

Dla niewtajemniczonych – dT/dt, to matematyczne wyrażenie oznaczające pochodną temperatury po czasie, czyli zmianę temperatury w jednostce czasu wtedy, gdy czas tej zmiany dąży do zera. Innymi słowy – szybkość zmiany temperatury w czasie z konkretnej, bardzo krótkiej chwili. Różne zapisy definiujące pochodną przytaczamy poniżej:

Załóżmy, że temperatura otoczenia (TR) wynosi 25 oC, a początkowa temperatura kawy (T0) to 95 oC. Stała k zależy od wielu czynników, takich jak materiał i kształt termosu, ale dla uproszczenia załóżmy, że k = 0,01 1/min.

Rozwiązanie powyższego równania daje nam:

gdzie:
T(t) to temperatura kawy w czasie t,
e to liczba Eulera (ok. 2,71828).

Możemy teraz obliczyć, jak szybko kawa w termosie będzie się ochładzać. Na przykład, po 60 minutach (t = 60 min), temperatura kawy wynosi:

To oznacza, że po godzinie, temperatura kawy spadnie do około 57 oC. Po kolejnej godzinie, temperatura kawy spadnie do około 43 oC, co jest nadal wystarczająco ciepła, aby się nią cieszyć.

Pamiętaj, że te obliczenia są uproszczone i w rzeczywistości tempo, w jakim kawa w termosie będzie się ochładzać, może być różne i zależne od wielu czynników.

Autorem artykułu jest Rafał,
uczeń drugiej klasy liceum ogólnokształcącego.

Jako rozszerzenie tematu proponujemy obejrzenie filmu z naszej strony, na którym pokazujemy eksperyment dotyczący stygnięcia, wykorzystujący kodowanie i czujniki PASCO. Zaprogramowaliśmy teoretyczną krzywą stygnięcia według teorii Newtona i porównaliśmy procesem odbywającym się w rzeczywistości. 

Udostępnij: