Весь эффект держится на одном простом решении: убрать из промежутка между стенками саму среду, которая переносит тепло. Чтобы понять, зачем это нужно, разберемся сначала, почему обычная воздушная прослойка с этой задачей не справляется.
Почему обычная двустенная кружка проигрывает термосу
Между стенками обычной двустенной кружки — воздух. Молекулы у горячей стенки двигаются быстрее: сталкиваются с соседями, передают им энергию и поднимаются вверх, пока холодные опускаются вниз. Эта постоянная циркуляция называется конвекцией, и именно из-за нее воздушная прослойка — плохой теплоизолятор: среда-посредник все время в движении, и тепло уходит от стенки к стенке быстро.
Вакуум останавливает эту циркуляцию
Вакуум — среда с давлением, настолько пониженным, что молекул в ней почти нет. Без молекул конвекции неоткуда взяться, а без нее теплу между стенками просто не на чем ехать. Поток тепла через вакуумную прослойку падает на порядок по сравнению с воздушной — этим объясняется, почему в хорошем термосе кипяток за восемь часов теряет всего 4–6°C.
Но есть канал теплопередачи, который вакуум не перекрывает, — инфракрасное излучение. Любое нагретое тело его испускает, и оно проходит сквозь вакуум так же свободно, как сквозь открытый космос. Поэтому внутреннюю стенку колбы покрывают серебром: оно отражает большую часть этого излучения обратно к жидкости. Тот же принцип работает в космических спасательных одеялах из металлизированной пленки — отражающий слой и вакуум вместе дают эффект, недостижимый по отдельности.
Принцип тот же, что у космических одеял из металлизированной пленки: отражающий слой и вакуум вместе дают результат, недостижимый ни одним из них по отдельности.
Как это придумали
В 1892 году шотландский химик Джеймс Дьюар построил такую колбу в Лондонском королевском институте — для криогенных экспериментов, где нужно было хранить сжиженные газы, испаряющиеся при малейшем нагреве. В 1898 году он первым получил жидкий водород, кипящий при −253°C, и его двустенная посеребренная колба стала единственным способом хотя бы ненадолго удержать это вещество в жидком состоянии.
Патент на нее Дьюар так и не оформил — увидел в колбе просто лабораторный инструмент, ничего больше. Это решение обошлось ему дорого.
Как лабораторная колба попала на кухню
Немецкий стеклодув Рейнхольд Бургер, работавший с Дьюаром, добавил к хрупкой стеклянной колбе металлический защитный кожух и 1 октября 1903 года получил патент в Имперском патентном ведомстве Германии. В 1904 году он с партнером основал компанию Thermos GmbH и объявил конкурс на название — житель Мюнхена предложил слово Thermos, от греческого thermē, «тепло». Так лабораторный сосуд стал предметом быта, а имя Дьюара осталось только в научном термине — «сосуд Дьюара».
Слабое место современного термоса
Хороший термос из нержавеющей стали с вакуумной двустенной колбой и отражающим покрытием держит температуру больше 12 часов. Но главная уязвимость — пробка: через нее уходит больше тепла, чем через стенки. Качество уплотнителя и крышки решает больше, чем толщина прослойки или марка стали корпуса.
Дьюар открыл физику, которая работает без изменений уже больше 130 лет. Деньги на ней, впрочем, заработал не он, а стеклодув, который просто приделал к его колбе кожух снаружи.