熱水瓶

熱水瓶

熱水瓶,也叫保溫瓶,是英格蘭的科學家杜瓦發明的。1900年,他第一次使壓縮氫氣變成液體,即液態氫。這種東西得用瓶子裝起來,可當時並沒有現在這樣的保溫瓶。他就自己研製。他採用真空的辦法,即做成雙層瓶子,把隔層中的空氣抽掉,切斷傳導。可是這樣之後熱的輻射也會影響保溫,於是杜瓦在真空的隔層里又塗了一層銀或反射塗料,把熱輻射擋回去。再用一個塞子把瓶口堵住。這樣熱傳導的三個方式都被切斷了,瓶內膽能較長時間保持溫度。他就用這種瓶子儲存液態氫。後來得到廣泛的套用,幾乎現在每家都有保溫瓶即熱水瓶。

基本信息

引言

(圖)熱水瓶熱水瓶

大多數人都擁有或熟悉“熱水瓶”(也稱作真空瓶或杜瓦瓶)。我記得童年時我的午餐盒就附帶這么一個瓶子。如果媽媽在裡面放了葡萄汁,午餐時我就能喝到美味、涼爽的葡萄汁。如果第二天她在裡面放了熱湯,午餐時我就能喝到熱湯。我還記得我曾問道,“它怎么知道要保持裡面的東西熱還是冷呢?”換句話說,就是它的轉換開關在哪裡?或者,“烤箱可以加熱東西,冰櫃可以冷卻——這個東西怎么兩樣都可以做呢?”

熱水瓶依據的原理——熱傳遞

假如您把一杯冰水或一碗熱湯放在廚房的桌面上。您知道將會發生什麼:那碗熱湯將冷卻到室溫,而那杯冰水將回復到室溫。這就是生活中的熱力學,如果任何兩個不同溫度的物體在一起,熱傳遞將使它們達到相同的溫度。所以,“房間”和“熱湯”會通過熱度傳遞過程達到相同的溫度——房間稍微變熱,湯卻涼了許多。
如果您想讓一碗湯儘量長時間地保溫,也就是說,如果您想儘量減緩熱傳遞的過程,您就需要讓造成熱傳遞的三個過程慢下來。這些過程是:

傳導。讓我們先回答一個簡單的問題:什麼是熱?熱就是原子的運動。原子的“熱”可以用它的速度來代表。在絕對零度(absolute zero)時沒有原子運動。但是,當原子變熱時,它們就會開始運動。當一個原子與其他原子發生碰撞時,就會傳輸熱量。這種情況與檯球碰撞有點類似,第二個原子得到了第一個原子的一部分運動能量。熱量就是通過這些碰撞傳輸的。

這一現象的最佳例子就是,拿一根金屬棒並加熱它的一端,另一端通過傳導就會變熱,然後變燙。當您把金屬平底鍋放在爐子上時,熱量通過鍋底部的金屬進行傳導,鍋里就會變熱。一些材料(如金屬)的導熱性要優於其他材料(如塑膠)。

輻射。原子運動的另一種效應是振動,振動導致了一種意想不到的現象——紅外輻射。根據《大不列顛百科全書》,“化學鍵束縛的原子或原子團的鏇轉和振動可以吸收和發射紅外輻射,因而有許多種材料都可以吸收和發射紅外輻射。”紅外輻射是光的一種形式。

我們的眼睛看不到紅外線,但是我們的皮膚可以感受它。我們接收到的太陽能大約有一半是不可見的紅外輻射,其餘就是我們可以看見的光。像可見光一樣,紅外線也可以被鏡子反射,也更容易被黑色物體吸收。當紅外線被吸收時,它可以造成原子運動,進而導致溫度的上升。常見的紅外線的例子有,您感受到電暖氣或一塊燒紅的金屬發射的熱,您感受到壁爐中的磚發出的熱,即使壁爐中的火已熄滅,以及太陽落山後您感受到的混凝土牆發出的熱。

對流。對流是液體和氣體的一種屬性。發生的原因是,液體或氣體變熱的部分會上升到其餘部分之上。這樣,如果您把一碗熱湯放在餐桌上,它會加熱碗周圍的一部分空氣。而由於該部分空氣比周圍的空氣熱,它就會上升。冷空氣會填充留下的空間。然後,這部分新的冷空氣又被加熱並上升,如此循環,可以設法加快對流速度,這就是對著熱湯吹氣可以讓它快點涼下來的原因。如果沒有對流,熱湯保熱的時間會長得多,因為空氣是熱的不良導體
當您站在篝火旁時,您可以觀察到所有這三種傳熱遞過程:

(圖)熱水瓶熱水瓶

對於像這么大的篝火,您可能需要站在至少6米之外。讓您遠離篝火的是紅外輻射發射出的熱。火焰和煙通過對流被帶到上方:篝火周圍的空氣被加熱而上升。篝火下面1米的土地將會因熱傳導而變熱。土壤的頂層被輻射直接加熱,然後,熱量逐層傳導至更深的土地。

要製作一個好的熱水瓶,您需要做的就是儘可能地減少這三種熱傳遞現象。
對於像這么大的篝火,您可能需要站在至少6米之外。讓您遠離篝火的是紅外輻射發射出的熱。火焰和通過對流被帶到上方:篝火周圍的空氣被加熱而上升。篝火下面1米的土地將會因熱傳導而變熱。土壤的頂層被輻射直接加熱,然後,熱量逐層傳導至更深的土地。

要製作一個好的熱水瓶,您需要做的就是儘可能地減少這三種熱傳遞現象。

熱水瓶的內部結構

要製作像熱水瓶那樣的容器,一種方法是拿一個罐子,用泡沫絕熱材料把它包裹起來。絕熱材料之所以起作用,有兩個原因。首先,泡沫中的塑膠是熱的不良導體。其次,泡沫中截留的空氣更不利於熱的傳導。因此會降低傳導性。由於空氣被分隔成極小的氣泡,因此泡沫絕熱材料在很大程度上還起到了消除泡沫內部對流的作用。所以,經過泡沫的進行的熱傳遞就非常少。

(圖)熱水瓶熱水瓶

事實表明還有比泡沫更好的絕熱體——真空。真空就是沒有原子。“完全真空”不含任何原子。要實現完全真空幾乎是不可能的,但是可以做到接近真空,沒有了原子,就可以完全消除傳導和對流。

熱水瓶里有一個抽成真空的玻璃瓶膽。熱水瓶內部是玻璃層,而玻璃周圍是真空。玻璃瓶膽容易破,所以將它包在塑膠或金屬外殼內。許多熱水瓶其實是可以鏇開並取出玻璃瓶膽的。

熱水瓶還更進了一步。玻璃進行了鍍銀處理(像鏡子那樣),以減少紅外輻射。真空和鍍銀的結合大大減少了對流、傳導和輻射造成的傳熱。

那么為什麼熱水瓶里的東西最終會冷卻下來?在圖中,您可以看到有兩個傳熱的路徑。其中比較大的是瓶塞,另一個就是玻璃,它在熱水瓶頂部內外壁交接的地方產生了一個傳熱的路徑。雖然通過這些路徑進行的傳熱很少,但並不是沒有。

熱水瓶是否知道裡面的液體是熱是冷?不知道。熱水瓶所做的只是限制通過熱水瓶壁進行的傳熱。那樣可以使熱水瓶裡面的液體長時間保持溫度幾乎不變,無論是熱還是冷。

嘗試改進絕熱方式

如果您喜歡做實驗,您可能想通過一些實驗來比較各種絕熱方式和熱水瓶之間的差異。或者,您可能想改進熱水瓶的性能。最終的問題就是“您是否能讓一杯咖啡保溫一整天?”:如果您可以肯定地回答這個問題,您就可以憑藉它創建一個商業帝國了……
一個調查途徑就是更好地了解您的熱水瓶:

1.拿一個熱水瓶。
2.向裡面注滿沸水並蓋上瓶塞。
3.每隔一兩個小時用溫度計測量一次它的溫度,觀察溫度曲線。
如果您把熱水瓶放到泡沫保溫盒中,是否會有什麼變化?如果把熱水瓶倒立放置在保溫盒中一個白天,會有什麼效果?
您可以嘗試的另一件事情是,做一組實驗來找出不同材料的絕熱值。找幾個可以與熱水瓶盛裝相同體積液體的罐子,然後嘗試使用不同的材料給它們絕熱。試試家中像泡沫、羊毛、鋁箔、塑膠、報紙之類的東西,也可以組合起來使用,還可以試驗不同的厚度。您可以了解很多有關不同材料導熱性的問題!

最大的熱水瓶

在這一點上,一個經常問到的問題是,“如果真空是那么好的絕熱體,那么如何冷卻太空船?”太空船中積聚的熱量來自它的電子設備、燃料電池、火箭引擎以及接收到的太陽輻射,等等。所有這些熱量必須有個去處,否則太空船就會過熱。但是,太空船是飄浮在世界上最大的熱水瓶(外太空的真空)中。那么太空船如何處理它多餘的熱量呢?
原來散熱是太空船設計過程中一個相當重要的部分。例如,如果您看一下此頁,就會發現Skylab(太空試驗站)有一個鍍金塗層,用來反射來自太陽的紅外輻射,還有一個大型散熱器來消散積聚的熱量。太空散熱器只能使用紅外熱輻射來消散熱量,所以它必須比地球上類似的散熱器大出許多。在地球上,對流在冷卻過程中起主要作用,因此幾乎所有散熱器都使用風扇來增強對流效果。同樣,太空船貨物港門的內側也裝有散熱器。一旦太空船進入軌道,工作人員首先要做的事情之一就是打開這些門進行輻射散熱。

那么,如果太空是一個巨大的真空,而真空是一個絕熱體,為什麼太空人在太空行走時會凍手呢?凍手問題實際上是一個非常有趣的問題。

熱水瓶的危害

某研究機構對盛了98天開水的五磅熱水瓶膽內壁的水垢進行了化學分析,所含重金屬量分別為鎘0.034毫克,鉛0.12毫克,鐵24毫克,砷0.21毫克,汞0.44微克。 水垢的存在有使飲水中重金屬濃度增加的可能性。當用有水垢的熱水瓶改盛其他液體,特別是酸梅湯、啤酒等酸性液體後,沉澱於水垢中的一些重金屬元素就會因發生化學反應,重新溶解在水或其他液體裡。 當人們長期小量地把這些重金屬攝入體內,就有可能引起人體消化、神經、呼吸和造血系統的病變和功能障礙。所以,對這種水垢萬萬不可小瞧!為此建議人們應定期消除這種水垢。

辨別是否保溫

聽音法
把空瓶口附在耳朵上,回聲越大越好!
熱水瓶熱水瓶

這是檢測水瓶膽有沒有破裂的一種方法,那些聲音是空氣流動形成的回音,回聲越大越好!
開水速測法
在空瓶中導入半瓶至一瓶開水,蓋上蓋兒,大約三分鐘後,雙手捧住熱水瓶試溫,如果感覺熱,說明保溫性能不佳;如果不感覺熱,說明保溫性能好。

注意事項

(1)熱水瓶在灌水之前,應先用少量熱水涮一下進行預熱,特別在冬季,溫差很大,瓶膽驟冷驟熱易發生炸裂。
(2)新水瓶木塞應先用水泡透後方可使用。因為乾木塞蓋在水瓶口會自然吸水脹大,到一定程度會衝破水瓶。平常灌入開水後,瓶塞也不宜堵得太緊。
(3)熱水瓶使用一段時間後,瓶底和瓶壁會附有一層水垢,這些水垢多了既影響保溫又影響飲水衛生,應及時清除乾淨。可放一些碎蛋殼混同一部分水,雙手握住水瓶,上下來回搖晃數次,一般水垢就可除去。這樣若還不能清除,可再放入適量溫鹽水、鹼水或小蘇打水,一起晃動幾次即可清除水垢。

其他資料

人在太陽光的照射下,會感到身上熱乎乎的,這是因為太陽的熱射到了我們身上,這叫熱的輻射
防止熱輻射的最好辦法是把它擋回去,反射熱最好的材料是鏡子。
倒一杯開水放在桌子上,由於杯子裡的水和周圍空氣的流動,使得水溫逐漸變得和周圍環境的溫度一樣了,這是熱的對流。
如果在杯子上加個蓋,就把對流的道路擋住了。可是這杯水依然會變涼,只是時間長些。這是因為杯子有傳熱的性質,這叫做熱的傳導。
熱水瓶膽用雙層玻璃做成,兩層玻璃都鍍上了銀,好像鏡
子一樣,能把熱射線反射回去,這就斷絕了熱輻射的通路。把熱水瓶的兩層玻璃之間抽成真空,就破壞了對流傳導的條件。熱水瓶蓋選用不容易傳熱的軟木塞,隔斷了對流傳熱的通路。完善地把傳熱的三條道路都擋住了,熱就可以長久地保留下來。但熱水瓶的隔熱並不那么理想,仍然有一部分熱能夠跑出來,因此熱水瓶的保溫時間有一定限度。
熱水瓶的功能是保持瓶內熱水的溫度,斷絕瓶內與瓶外的熱交換,使瓶內的“熱”出不去,瓶外的“冷”進不來。如果在熱水瓶里放上冰棍兒,外面的“熱”同樣不容易跑到瓶子裡,冰棍也不容易化。所以把熱水瓶叫做保溫瓶是科學的,因為它既能保“熱”,也能保“冷”。熱水瓶能夠保溫,是由熱水瓶膽的構造特徵所決定的。原來,熱水瓶膽由兩層薄的玻璃外殼組成,兩層外殼之間抽去空氣,並在瓶膽一側鍍上一層薄薄的銀。熱水瓶膽有一個比它“身體”部分細得多的瓶口,瓶口上可以塞上軟木塞。正是這樣的構造使熱水瓶成了“心腸熱,外表冷”的保溫瓶。
當熱水瓶中灌入開水以後,熱水瓶的結構使水的熱量不能以通常方式進行傳遞:一是熱的對流被切斷。瓶內被加熱的空氣會尋找所有可能的“出口”往外跑,而外面的冷空氣也會無孔不入地鑽進熱水瓶里去。但是,由於瓶頸較細,又被軟木塞緊緊地塞住,因此熱對流的唯一通道被切斷。二是熱傳導被阻塞。雖然與金屬物品相比,空氣的導熱性能比較差,但瓶膽中的熱量仍然會通過玻璃外殼傳遞到瓶外的空氣中去。但是,由於瓶膽有兩層玻璃外殼,中間又抽成真空,因此熱傳導的媒介物——空氣變得非常稀薄,熱傳導的通道也被阻斷。三是熱輻射被杜絕。冬天,在太陽光下,我們會感到比較暖和,這正是太陽光的熱輻射造成的。由於熱水瓶膽鍍上了一層薄薄的銀,因此熱量的輻射受到了銀層的反射而被擋在瓶膽內部,這就使得熱輻射的途徑也被杜絕了。
理想的情況是,瓶膽把傳熱的三種方式都阻斷以後,熱水瓶中的熱水可以永久地不會冷卻下來。但是,實際上熱水瓶的隔熱效果並不那么完善,因此熱水瓶的保溫總有一個時間的限度,超過這個時間限度,熱水瓶就不再保溫。
.熱水瓶為什麼能保溫呢?
熱的傳遞方式有三種:熱的輻射、熱的對流、熱的傳導。
人在太陽光的照射下,會感到身上熱乎乎的,這是因為太陽的熱射到了我們身上,這叫熱的輻射。
防止熱輻射的最好辦法是把它擋回去,反射熱最好的材料是鏡子。
倒一杯開水放在桌子上,由於杯子裡的水和周圍空氣的流動,使得水溫逐漸變得和周圍環境的溫度一樣了,這是熱的對流。
如果在杯子上加個蓋,就把對流的道路擋住了。可是這杯水依然會變涼,只是時間長些。這是因為杯子有傳熱的性質,這叫做熱的傳導。
熱水瓶膽用雙層玻璃做成,兩層玻璃都鍍上了銀,好像鏡子一樣,能把熱射線反射回去,這就斷絕了熱輻射的通路。把熱水瓶的兩層玻璃之間抽成真空,就破壞了對流傳導的條件。熱水瓶蓋選用不容易傳熱的軟木塞,隔斷了對流傳熱的通路。完善地把傳熱的三條道路都擋住了,熱就可以長久地保留下來。但熱水瓶的隔熱並不那么理想,仍然有一部分熱能夠跑出來,因此熱水瓶的保溫時間有一定限度。
熱水瓶的功能是保持瓶內熱水的溫度,斷絕瓶內與瓶外的熱交換,使瓶內的“熱”出不去,瓶外的“冷”進不來。如果在熱水瓶里放上冰棍兒,外面的“熱”同樣不容易跑到瓶子裡,冰棍也不容易化。所以把熱水瓶叫做保溫瓶是科學的,因為它既能保“熱”,也能保“冷”。

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