Näin toimii termospullo

Termospullo pitää kahvin kuumana työpäivän ajan.

Tutkimuslaboratorioissa termosastia puolestaan säilöö tutkimusnäytteitä tai niiden kylmentämiseen tarvittavia aineita, kuten nestemäistä typpeä (–196 °C) tai heliumia (–269 °C).

Termosastian suunnittelun reunaehdot pysyvätkin käytännössä samoina riippumatta siitä, säilötäänkö astialla kylmää vai kuumaa. Tässä artikkelissa pullon sisällön ajatellaan aina olevan ympäristöä kuumempi.

Lämpö voi siirtyä paikasta toiseen kolmella tavalla: kulkeutumalla, johtumalla ja säteilemällä. Lämmön kulkeutumisella termospullon sisällä on vain vähän merkitystä lämmön säilyttämisen kannalta, joten haasteiksi suunnittelussa jäävät lämmönjohtumisen ja lämpösäteilyn torjuminen.

Johtumisen syynä ovat aineen rakenneosien keskinäiset vuorovaikutukset. Atomitasolla esiintyy useita erilaisia mekanismeja, joiden kyky siirtää lämpöä vaihtelee aineen ja olosuhteiden mukaan.

Tyhjiö on tehokas eriste

Yleensä hyvin sähköä johtavat materiaalit johtavat hyvin myös lämpöä, mutta muitakin riippuvuuksia tunnetaan. Hyvin matalissa lämpötiloissa tai nanomittakaavassa kentälle ilmaantuu lisäksi koko joukko eksoottisia ilmiöitä pakkaa sekoittamaan.

Termospullon suunnittelijan ei tarvitse näistä kuitenkaan paljoa välittää, sillä tehokkain katko lämmönjohtumiselle syntyy, kun lämpöä johtava aine poistetaan kokonaan.

Nykyiset termosastiat rakentuvatkin tyypillisesti kahdesta sisäkkäisestä kuoresta, joiden väliin imetään tyhjiö.

Silloin sisemmän pullon kuumalla pinnalla ei ole mitään vastaparia, jolle se voisi energiaansa luovuttaa, joten lämpöä ei johdu ulos pullosta.

Heikko kohta löytyy termospullon suulta, jossa sisä- ja ulkokuori väistämättä ovat liitoksissa keskenään. Siinä lämpöä pääsee johtumaan pullon ulkokuoreen ja lopulta harakoille. Samoin korkki toimii lämpösiltana ulos. Toinen toistaan nokkelampia kaatokorkkeja ja monikerroksisia tulppia onkin kehitelty lämpöhukkaa hillitsemään.

Idean kahden kuoren välisestä tyhjiöeristyksestä esitteli vuonna 1892 skottilainen tutkija James Dewar, mutta hän jätti ideansa patentoimatta. Kymmenkunta vuotta myöhemmin kaksi saksalaista lasinpuhaltajaa, Reinhold Burger ja Albert Aschenbrenner oivalsivat keksinnön olevan hyödyllinen myös laboratorion ulkopuolella ja kaupallistivat idean.

Nimi Thermos saatiin yleisökilpailusta.

Dewar haki sittemmin oikeutta keksintöönsä saksalaisia vastaan, mutta hävisi jutut. Myös yleisnimeksi päätyneen Thermos-sanan käyttöoikeuksista on sittemmin käyty lukuisia kiistoja.

Peili heijastaa lämpöä

Tyhjiö kahden kuoren välissä on vain puolet tarinasta. Se estää lämmönjohtumisen, mutta lämpösäteilyn karkaamista se ei hidasta. Säteily etenee tyhjiössä erinomaisesti.

Lämpösäteilyn syntyä ei voi estää, sillä kaikki aine säteilee lämpöä, mutta sen reitin voi kyllä helposti katkaista.

Hyvä valinta lämpö- eli infrapunasäteilyn etenemisen katkaisjiaksi on peili. Lämpösäteily heijastuu siinä missä näkyvä valokin, joten pullon sisältöä joka puolelta ympäröivä peili pakottaa lämpösäteilyn poukkoilemaan astiassa edestakaisin.

Silloin kuuma aine vastaanottaa säteilyä yhtä paljon kuin lähettää, eikä lämpöä juuri menetetä.

Joissain termoksissa sisäpullo on kirjaimellisesti valmistettu peilistä eli hopeoidusta lasista. Rikkoutumiselle aran materiaalin on kuluttajatuotteissa laajalti syrjäyttänyt ruostumaton teräs, joka hyvin hiottuna heijastaa lämpösäteilyä tehokkaasti.

Samalla on käynyt harvinaiseksi se ikävä tilanne, kun kolhun jälkeen termoksen sisältä kuuluu pahaenteistä helinää.

Kaikki perinteiset peilipinnat imevät pienen osan säteilystä itseensä eli lämpenevät. Tähän saattaa olla luvassa muutos, sillä tutkijoiden pöydillä on syntymässä uusia ratkaisuja lämpösäteilyn hallitsemiseksi.

Lähde: TM selittää: Näin toimii termospullo – Tekniikanmaailma.fi

Kategoria(t): Riistanhoito. Lisää kestolinkki kirjanmerkkeihisi.