Как устроен термос и почему он держит тепло и холод

Термос — сосуд, который надолго сохраняет температуру того, что в него налили. Секрет — во внутренней колбе с двойными стенками. Воздух между ними откачан, получилась вакуумная прослойка. Стенки, обращённые друг к другу, покрыты зеркальным слоем — серебром у стеклянных колб или блестящим металлом у стальных. Сверху колбу закрывает плотная пробка. Каждая из этих деталей перекрывает один из путей, которыми тепло переходит от горячего к холодному. Поэтому чай остаётся горячим много часов, а лёд в холодном напитке тает медленно. Ниже — как устроен термос по частям, почему он держит и тепло, и холод, чем стеклянная колба отличается от стальной и как понять, что термос испортился.

Три пути тепла

Чтобы понять устройство термоса, нужно вспомнить, как вообще передаётся тепло. Способов три.

Способ	Как работает	Пример	Чем его останавливает термос
Теплопроводность	Быстрые частицы горячего тела толкают соседей, и энергия передаётся по цепочке	Нагревается ручка ложки в горячем чае	Вакуумом: в пустоте нет частиц, чтобы передавать толчки
Конвекция	Нагретый воздух или жидкость поднимаются, холодные опускаются, и потоки уносят тепло	Тёплый воздух от батареи идёт к потолку	Вакуумом и пробкой: нет воздуха, который мог бы циркулировать
Излучение	Любое тёплое тело испускает невидимые инфракрасные лучи	Тепло от костра чувствуется на лице	Зеркальными стенками, которые отражают лучи обратно

Обычная кружка теряет тепло всеми тремя способами сразу: стенки проводят его наружу, воздух над чаем уносит пар и тепло, горячая поверхность излучает. Термос перекрывает все три.

Из чего состоит термос

Часть	Что делает
Наружный корпус	Защищает колбу от ударов, за него держат термос
Внутренняя колба	Ёмкость для напитка с двойными стенками
Вакуумная прослойка	Пустота между стенками колбы; не проводит тепло теплопроводностью и конвекцией
Зеркальное покрытие	Серебрение стекла или полированный металл; отражает тепловое излучение
Горловина	Единственное место, где внутренняя стенка соединяется с наружной; главный «мост» для тепла
Пробка	Закрывает горловину, не даёт уйти пару и тёплому воздуху; часто с клапаном, чтобы наливать, не откручивая
Прокладки	Резиновые кольца, которые делают пробку и крышку герметичными
Крышка-чашка	Защищает пробку и служит кружкой
Опоры колбы	У стеклянных термосов — пружина или мягкие вставки снизу, чтобы колба не билась о корпус

Как термос сохраняет тепло: по шагам

1. Вы наливаете кипяток. Горячий чай нагревает внутреннюю стенку колбы.
2. Теплопроводность обрывается. Дальше тепло должно было бы пройти к наружной стенке, но между ними пустота. Передавать энергию некому, этот путь почти закрыт.
3. Излучение отражается. Горячая внутренняя стенка излучает инфракрасные лучи. Зеркальный слой возвращает большую часть обратно.
4. Конвекция заперта пробкой. Над чаем есть немного воздуха. Он нагревается и хотел бы уйти вверх, унося пар, но пробка его не пускает.
5. Остаются узкие места. Тепло всё же уходит — через пробку и через горловину, где внутренняя и наружная стенки соединены. Поэтому температура падает медленно, на градусы за часы, а не за минуты.

С холодным то же самое, только наоборот. Тепло снаружи стремится попасть к холодному напитку, но натыкается на тот же вакуум, зеркало и пробку. Поэтому термос годится и для чая зимой, и для холодной воды летом. Сам по себе он не греет и не охлаждает — только замедляет выравнивание температур.

Стекло или сталь

	Стеклянная колба	Стальная колба
Как держит температуру	Очень хорошо: стекло плохо проводит тепло, серебрение отлично отражает	Немного хуже или так же — зависит от модели и горловины
Прочность	Бьётся от удара и резкого перепада температур	Выдерживает падения и тряску
Запахи	Стекло не впитывает запахи	Нержавейка почти не впитывает, но пробка и прокладки впитывают у любых термосов
Где удобна	Дома, в машине, на рыбалке без тряски	В походе, в рюкзаке, в поездке

Термос, термокружка и термосумка. Термокружка часто тоже с вакуумом, но у неё широкое горло и неплотная крышка с отверстием для питья — держит тепло недолго. Термосумка устроена иначе: это просто толстый слой пористого утеплителя, воздух в котором плохо проводит тепло. Она замедляет нагрев продуктов, но гораздо слабее вакуума.

Похожая идея работает в окнах: в стеклопакете между стёклами оставлен слой воздуха или инертного газа, который хуже проводит тепло. Как устроено такое окно, рассказано в статье об устройстве пластикового окна. А в холодильнике задачу решает толстый слой пены в стенках — подробнее в статье о том, как работает холодильник.

Интересные факты

• «Пупок» на дне стеклянной колбы. Через тонкую трубочку в этом месте на заводе откачивали воздух, а потом запаяли её. Если отколоть этот носик, вакуум пропадёт — именно поэтому стеклянную колбу не ставят без корпуса на твёрдую поверхность.
• Колбы Дьюара в лабораториях. Тот же сосуд, только больше, хранит жидкий азот при температуре около −196 °C. Его изобрели для сжиженных газов, а бытовой термос — побочная «гражданская» версия.
• Почему верх термоса тёплый, а бока холодные. У исправного термоса тепло уходит в основном через пробку и горловину, поэтому верхняя часть с крышкой слегка тёплая, а корпус остаётся комнатной температуры. Тёплые бока — уже признак беды, о нём ниже.
• Почему термос прогревают. Если сначала на пару минут налить кипяток, а потом заменить его чаем, стенки колбы не будут забирать тепло у напитка. Так же для холодного: колбу предварительно ополаскивают холодной водой.

Почему термос перестаёт держать тепло и на что смотреть

• Потерян вакуум. Самая частая и неисправимая поломка. У стальных термосов — от сильного удара по дну или корпусу, у стеклянных — от трещины. Проверка простая: налейте кипяток и через несколько минут потрогайте корпус. Если он заметно тёплый по всей высоте — вакуума больше нет.
• Изношены прокладки пробки. Чай подтекает, а тепло уходит через щель. Прокладки обычно можно заменить.
• Пробка неплотно закручена или треснула. Через горловину уходит пар — это тот же путь конвекции, который должна перекрывать пробка.
• Треснула стеклянная колба. Стекло не любит резких перепадов. Если колбу, остывшую на морозе в машине, сразу залить кипятком, стекло прогреется неравномерно, и от внутреннего напряжения может пойти трещина. Сначала колбу ополаскивают тёплой водой.
• Термос налит наполовину. Много воздуха внутри — больше тепла уходит на его нагрев и через пробку. Лучше наливать почти до края.

Хорошо заваренный чай — отдельная наука, о ней в статье о том, как заварить чай правильно. В термосе заварку лучше не держать долго: чай при высокой температуре продолжает завариваться и становится горьким.

Вопросы для самопроверки

• Почему в термосе стенки делают зеркальными? Чтобы отражать тепловое излучение обратно.
• Какой способ теплопередачи останавливает пробка? Конвекцию: тёплый воздух и пар не уходят через горловину.
• Почему термос держит и горячее, и холодное? Он замедляет обмен теплом в обе стороны, а не производит тепло или холод.