Сухой лед. жидкий азот

Сосуд Дьюара - это дедушка современных термосов. Сегодня нет проблем с сохранением необходимых продуктов длительное время при определенной температуре. Причиной для изобретения подобного сосуда послужило то, что у физиков не было возможности в течение какого-то времени сохранять газы в жидком состоянии. Сосуд Дьюара для жидкого азота был именно тем изобретением, которое успешно решило проблему. И, как это всегда бывает, находка для научных работ нашла свое применение в быту.

История

Так называемый сосуд Дьюара начинает свою историю с 1881 года. Немецкий ученый Адольф Фердинанд Вейнхольд разработал самый первый контейнер, который использовался для хранения сжиженного газа.

Он представлял собой стеклянный ящик, имеющий двойные стенки. Особенностью конструкции было то, что из межстеночного пространства воздух откачивался. В таком сосуде можно было хранить жидкий кислород. Изобретатель назвал сосуд «бутылкой Вайнхольда».

В 1892 г. шотландский химик и физик сэр Джеймс Дьюар внес в конструкцию А. Ф. Вейнхольда некоторые усовершенствования. Стеклянный ящик изменил форму и стал колбой с узким горлом, что позволило значительно сократить испарение жидкости. Кроме того, по указанию Дьюара было посеребрено межстеночное пространство. Впервые был получен и сохранен не только жидкий, но и твердый водород.

Первая демонстрация состоялась на публичной лекции в январе 1893 года, а массовое производство сосудов было начато в 1904 году. Фирма Thermos GmbH (Германия) была основана для изготовления термосов, она и взялась за внедрение изобретения для коммерческих целей.

Принцип действия

Как же работает сосуд Дьюара? Устройство аппарата поражает своей гениальной простотой: стеклянная или металлическая колба, имеющая двойные стенки, между которыми откачан воздух. Такая система значительно уменьшает теплопроводность стенок.

Оставшееся очень незначительное количество молекул воздуха переносит к содержимому сосуда Дьюара температуру окружающей среды. Такая остаточная теплопроводность провоцирует постоянное и постепенное испарение жидкого газа.

Это, в свою очередь, приводит к увеличению давления внутри емкости. Чтобы избежать неминуемого взрыва, аппарат снабжают предохранительным клапаном либо его неплотно закрывают. На испарение жидкого азота неплотно закрытая пробка влияет мало. Передача тепла снизу вверх происходит медленно, а площадь отверстия в сосуде ничтожно мала.

Таким образом, газ понемногу стравливается. Потери вещества незначительны, например, один килограмм жидкого воздуха за 10 дней при хранении потеряет всего 4 грамма.

Такое устройство позволяет в течение длительного времени сохранять и транспортировать газ в жидком состоянии, что очень важно для современной промышленности.

Модели

Во многих отраслях промышленности сосуд Дьюара применяют для различных целей. Существуют несколько моделей:

• серия Х, ХТ, LD - алюминиевые, горловина стеклопластиковая, применяются для перевозки и хранения жидкого азота и биоматериалов;
• серия СК, СДП - со стеклопластиковой горловиной, изготовлены из алюминия, применяются для транспортировки, хранения небольшого количества жидкого азота;
• серия СДС - алюминиевые, горловина стеклопластиковая применяются для транспортировки и хранения биоматериалов;
• вертикальные (объем 28-660 литров) - изготовлены из нержавеющей стали, применяются для транспортировки и хранения закиси азота жидкого азота, углекислоты, аргона, кислорода;
• горизонтальные - выполнены из нержавеющей стали, служат для хранения жидкого азота.

Кроме того, освоен выпуск огромных железнодорожных и автомобильных цистерн. Есть и специально оборудованные корабли, перевозящие крупные партии сжиженного газа.

Применение

Сосуд Дьюара широко применяется в современных отраслях хозяйствования. Чаще всего аппарат используют:

• в быту - для продолжительного хранения напитков, продуктов питания (термосы);
• в промышленности, лабораториях - для сохранения жидкого азота и прочих криожидкостей;
• в ветеринарии и медицине - для хранения биологического материала;
• в геофизике - для работы в горячих скважинах (в сосуд помещают кристаллы и электронные компоненты).

Стоимость

В настоящее время на рынке представлены самые разнообразные марки и разновидности термосов. Небольшие бытовые изделия используют для продуктов питания или жидкостей (чай, кофе). Цена в зависимости от объема, материала и марки производителя может колебаться от 5 долларов до 50.

На порядок выше стоимость тех сосудов, которые используются в промышленных масштабах и называются сосуд Дьюара. Цена определяется объемом и качеством изготовления. Хороший, на большой объем аппарат может стоить и несколько сотен долларов:

• модель Х-40СП (Харьковского завода транспортного оборудования, Украина) - 650 $;
• модель L2050 (Cryo Diffusion, Франция) - 1050 $;
• модель ХТ-3 (Taylor-Wharton, Словакия) - 220 $.

Цистерны, автомобильные или железнодорожные, для транспортировки криогенных жидкостей, стоят десятки тысяч долларов.

Джеймс Дьюар (1842-1923) был шотландским физиком и химиком, жившим в Лондоне. За свою жизнь он успел удостоиться множества премий и медалей, сделать неимоверное количество открытий, многие из которых сыграли важную роль в развитии точных наук. Среди его достижений в физике примечательным считается вклад в изучение сохранения температуры при помощи созданного им устройства, которое носит название «сосуд Дьюара». Этот агрегат предназначен для хранения различных веществ при повышенных или пониженных температурах.

История создания

Сосуд Дьюара является модернизированной версией устройства, которое было разработано немецким ученым Вейнхольдом. При этом он имеет значительные отличия. Изобретение Вейнхольда имело вид стеклянного ящика с двойными стенками, а Дьюар значительно изменил такую конструкцию. По аналогии с ящиком, его устройство также было двустенным, между стенками этого устройства был создан вакуум, и они были посеребрены, а для того чтобы уменьшить испарение жидкости, горло устройства было сужено.

Применение

На сегодняшний день производство сосудов Дьюара достигло промышленных масштабов, поскольку они используются повсеместно не только в различных индустриях, но и в быту. Мало кому известно, что термос также является сосудом Дьюара. Что касается промышленности, то здесь чаще всего используются сосуды Дьюара для и других криожидкостей. Также это устройство часто применяется в ветеринарии и медицине для хранения различных биологических материалов.

Поскольку у различных видов сосуда разные цели, то и используются они по-разному, хотя во всех случаях перед тем как поместить содержимое в сосуд, необходимо довести его до соответствующей температуры, т. е. нагреть или охладить. Температура вещества, которое находится внутри устройства, сохраняется благодаря двум факторам: теплоизоляции и происходящим с ним процессам.

Термос

Самым известным и популярным видом сосуда Дьюара является термос. В начале XX века Рейнольд Бургер немного видоизменил это устройство, чтобы сделать его пригодным для бытового использования. Стеклянную колбу поместили в металлический корпус, сделав ее тем самым безопасной и более долговечной, а заглушку, которая устанавливалась на сосуд Дьюара, заменили пробкой и крышкой.

Изначально изобретатель рассчитывал, что такое устройство будет использоваться для хранения пищи, но в результате термос стал популярным именно благодаря тому, что он мог продолжительное время сохранять температуру напитков. Днем рождения термоса можно считать 30 сентября 1903 года, поскольку именно в этот день Бургер получил патент на свое изобретение и приступил к производству.

Хотя на этом история не заканчивается. Дьюар, который узнал о том, что модернизированная версия его устройства получила коммерческий успех и помогла Бургеру прилично заработать, подал иск в суд. Но поскольку его устройство не было запатентовано, суд не удовлетворил его требований.

Сосуд Дьюара, изобретенный шотландским ученым, обрел широкую популярность почти сразу после своего появления на свет и не теряет ее по сей день. Он широко применяется как в промышленности, так и в быту, что делает его одним из самых важных

Термос изобретен усилиями трех человек на протяжении четверти века. В 1879 году физик профессор А. Вайнольд предложил использовать для сохранения жидких газов двустенный сосуд из стекла с вакуумом между стенками. В 1890 году английский химик профессор Джеймс Дьюар усовершенствовал «бутылку Вайнхольда», посеребрив стенки, что ослабило утечку тепла через стенки. Наконец, в 1904 году берлинский стеклодув Р. Бургер добавил к сосуду Дьюара защитную оболочку и стал продавать его как термос для горячего кофе или бульона.

Сосуд Дьюара представляет собой резервуар «сосуд в сосуде», межстенное пространство которого заполнено многослойной изоляцией (алюминиевая фольга АДI-М-0,011 и стеклобумага - стекловуаль ЭВТИ-7) и откачан воздух при изготовлении до остаточного давления 10 (-4) мм.рт.ст. Для поддержания глубокого вакуума в межстенном пространстве расположены адсорбент и поглотитель водорода. Материал сосуда - алюминиевый сплав АМц, благодаря этому температура в верхней зоне сосуда Дьюара не поднимается выше минус 170 градусов цельсия даже при наличии в нем 5 кг. (12%) жидкого азота.

В настоящее время промышленно выпускается криогенное оборудование (греч. криос – холод, генос - рождение) разных типов и марок: сосуды Дьюара промышленные – СДП: СДП-5, СДП-10, СДП-16, СДП-25, СДП-40 и др. (цифра означает емкость сосуда в литрах); СД –сельскохозяйственные: СДС-5, СДС-20, СДС-30, Х-30 (Харьков-30) и др.; стационарные хранилища – ХСЖА, КВ-6202, ХБ-0,5 (на 500 л.), ХБ-0,2 (на 240 л.) и др.

Важнейшей характеристикой Сосуда Дьюара является срок полного испарения жидкого азота, который для всех СДП и СДС составляет 30-35 суток, а в сосудах старого типа АТ-6 – до 20 суток. Испаряемость жидкого азота от СДП-5 до СДП-40 составляет от 10 до 24 г/ч (4,8-1,8% в сутки!), в СДС-20, СДС-35, СДС-50 соответственно 10,12,14 г/ч.

Сосуды Дьюара нового поколения «СДС-35М» и СДС-6М – имеет более совершенную многослойную теплоизоляцию и высокий вакуум; внутренний и наружный слои из алюминиевого сплава соединены стеклопластиковой горловиной, при этом время полного испарения жидкого азота доходит до 300 и 48 суток соответственно, а испаряемость жидкого азота составляет 3,9 и 4,6 г/час. (См. Рис. Схема сосуда Дьюара).

Жидкий азот – это бесцветная жидкость, по внешнему виду напоминает воду. Температура кипения его -196 °C, удельный вес 0,804 кг/л, теплота испарения -47,7 ккал/кг. Из всех криогенных жидкостей, получаемых путем сжижения атмосферного воздуха (жидкий воздух, жидкий кислород -183 °C) жидкий азот наименее опасен, химически инертен. Испаряясь, он превращается в газообразный азот, который бесцветен, не имеет запаха, не горюч, его удельный вес 1,16 кг/м3, молекулярная масса 28; в атмосферном воздухе он содержится в количестве 79%. При длительном вдыхании воздуха с повышенным содержанием азота (уменьшение содержание кислорода менее 16%) у человека наблюдается головная боль, а при больших концентрациях азота (например, выливание азота из упавшего Сосуда Дьюара) – обморочное состояние. Поэтому в помещениях, где работают с жидким азотом, должна быть принудительная вентиляция. На пункте Сосуды Дьюара хранят в манеже, в специально отгороженном решеткой месте или лаборатории, на таком расстоянии от окна или двери, чтобы до него мог достать шланг для заправки жидким азотом.

При падении, ударах, резких толчках может произойти нарушение соединения внутреннего и наружного сосудов, так как они соединены только в области горловины, что сопровождается потерей вакуума, поэтому при транспортировке необходимо надежно закреплять Сосуд Дьюара в кузове машин. Первым признаком потери вакуума является обледенение, появление инея – образование «снеговой шубы» в области горловины кожуха Сосуда Дьюара, испарение жидкого при этом идет очень быстро. Категорически запрещается оставлять на отогрев такие сосуды Дьюара в помещение, где могут находится люди, так как увеличение давления в межстенном пространстве может привести к взрыву. Сосуды Дьюара, потерявшие вакуум, отогревают в течение не менее трех суток в изолированном помещении, а затем отправляют для ремонта на завод-изготовитель.

Особенности эксплуатации Сосудов Дьюара заключается в том, что оператор должен регулярно определять уровень жидкого азота в них. Первый замер производится через неделю, после доливки, второй – через неделю после первого. Результаты замеров фиксируются в журнале. Для обычных Сосудов Дьюара необходимо произвести третий замер, в течение третий недели после доливки, при этом необходимо записывать температуру окружающего воздуха, сколько раз открывался сосуд Дьюара. Определять уровень жидкого азота можно специальными металлическим щупом –мерной линейкой: её опускают в Сосуд Дьюара до дна и выдерживают 15-20 секунд, извлекают – замерзшая зона покажет количество азота в Сосуде Дьюара.

В 1879 году немецкий физик А. Вайнхольд был озадачен сугубо научной проблемой: как хранить в лабораториях жидкий или даже твердый водород с температурой плавления аж -259,2 °С. Нужен был сосуд, сохраняющий столь низкую температуру даже в теплом помещении. Выход был найден. Ученому пришла идея соединить два тонкостенных стеклянных сосуда, поместив один в другой, спаять герметично горлышки, а из пространства между ними откачать воздух. Таким образом, вакуум сохранял температуру внутренней емкости, не позволяя ей нагреваться или охлаждаться (по такому же принципу действуют привычные оконные стеклопакеты ). Будучи к тому же еще и опытным стеклодувом, физик без труда , а результат подробно описал в своей книге «Демонстрационные опыты по физике», скромно назвав изобретение «бутылкой Вайнхольда». Спустя несколько лет его шотландский коллега Джеймс Дьюар совершенствует изделие, посеребрив внутренние стенки сосуда, для лучшего сохранения температуры. И «бутылка» превращается в «сосуд Дьюара».

Но на этом усовершенствования не закончились. Немецкий стеклодув Бюргер, долгое время производивший колбы для лабораторий, отметил, что сосуд Дьюара может быть полезен не только в науке, но и в быту.

В 1903 году Бюргер немного доработал вакуумный сосуд шотландца, облачив хрупкое стекло в металлическую оболочку, снабдив его функциональной крышкой-чашкой и первым из троих разработчиков догадался запатентовать изобретение. Вскоре был объявлен конкурс на лучшее название для новинки . Немцы активно предлагали различные замысловатые названия для сосуда. Однако победителем оказался житель Мюнхена, вспомнивший греческое слово therme (горячий). Так термо-сосуд, ровно как и фирма, занявшаяся его производством обрели свое имя . В 1904 году немецкая фирма THERMOS GMBH начинает серийный выпуск сосудов Дьюара, с этого момента именуемых не иначе, как термосы.

Естественно, создатель термоса, Джеймс Дьюар, пытался доказать права на изобретение, к тому времени уже приносившее серьезный доход. К сожалению, справедливости ученый так и не добился, единственным разработчиком, указанным в патенте так и остался Рейнгольд Бюргер.

С тех пор прошло больше ста лет. Сейчас можно выбрать термос любой емкости и расцветки, в металлическом, пластиковом и даже стеклянном корпусе. А, например, в советское время практически в каждой семье был большой жестяной термос красного или синего цвета, украшенный цветами или изображением восходящего солнца. Яркий и блестящий, на советской кухне он хранился на виду как предмет интерьера. Немецкие термосы до Союза не доезжали, зато без труда можно было купить китайский аналог. Большая часть привозимых в страну термосов производилась на пекинской фабрике «Олень». Вообще-то иностранные названия фирм обычно транскрибируют, а не переводят, но «Олень» решил оставить в тени свое китайское название, войдя на западный рынок как Bejiing Deer (пекинский олень). Таким образом жестяной китаец с немецким именем вошел в нашу жизнь.

По большому счету, с тех времен конструкция термоса не изменилась, за исключением маленькой, но очень важной детали — пробки. Она, в отличие от верхней крышки-чашки, не завинчивалась. Дело в том, что внутренний сосуд китайского термоса состоял из стекла и не имел резьбы. Так что использовалась исключительно крышка-затычка, как правило деревянная. Естественно, такой сосуд нельзя было переворачивать, что не всегда возможно на природе или в дальних поездках .

Сейчас существует огромное разнообразие марок и разновидностей термосов: для еды, напитков, термокружки. Одним словом, прогресс не стоит на месте. Впрочем, для многих это не просто предмет, а теплое напоминание о приятных событиях: поездке на природу с друзьями, дальнем путешествии или зимней прогулке.

Видео Что такое термос?