保温杯的隔热原理是什么?

2022/11/6 17:08:58 来源:中科院物理所 作者:荔枝果冻 责编:远生

原文标题:《冰凉的手和烫伤的嘴,抱着保温杯的我想入非非……》

叮~ 您的冬天即将送达,请前往门口领取

立冬时节将至气温愈加寒冷

小编的手手被冻的快要失去知觉了,甚至难以敲击键盘饭碗不保

在此危急时刻,若能手捧一杯热水暖手又暖心

想到这里,小编立刻拿起保温杯倒上一杯热水捧在手心,结果只感受到了金属的透心凉

明明手捧热水为啥我感受不到温暖?

温度

那么什么是温度呢?这时候就有人要抢答了,热就是温度高,冷就是温度低。

这话没毛病,温度是表示物体冷热程度的物理量。那么从微观上来看,什么是温度呢?

温度是物体分子运动的剧烈程度,是物体分子平均动能的标志。

比如,这样是温度高~:

来源:bilibili

这样是温度低~:

来源:bilibili

热传递

热传递是通过热传导、热对流和热辐射来实现的。

热对流

流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。

热对流原理图,来源:bilibili

热辐射

一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射,将热量以辐射的形式传出。

热传导

当两个温度不同的物体相互接触或者同一物体内部存在温差时,就会通过物体内部分子、原子和电子的微观振动、位移和相互碰撞而发生能量传递现象,使得两部分温度趋向相同。

热传导原理图,来源:bilibili

杯子里的热水主要是通过与空气、杯壁的热传导来实现热量的传递,热水温度下降,杯子温度上升,使得手中的这杯水摸起来是热的。

保温杯结构

保温杯是双层构造,在外壳和内胆中间加入真空层,由于真空层气体密度低,缺少气体分子与内胆的碰撞,从而减少热传导与热对流;同时,在保温杯的内胆镀铜或者银,能够反射热辐射,有效降低通过辐射丢失的热量。

我和手中这杯热水也就相隔了亿点点距离吧~

真空

真空这个词并不陌生,在给定空间内低于一个大气压的气体状态称之为真空状态。

真空有不同的程度(简称真空度):

低真空领域:105~103 Pa

中真空领域:103~10-1 Pa

高真空领域:10-1~10-5 Pa

超高真空领域:10-5~10-8  Pa

极高真空领域:< 10-8  Pa

一提到真空,大家首先想到的会是什么呢?

小编猜测大家一定会想到太空和宇航员,太空之中气体稀薄,无法呼吸,所以宇航员需要穿上航天服,通过氧气瓶来维持呼吸。

难道保温杯是宇航员在太空制作好后再运回地球的吗?那四舍五入小编也是去过太空的人了?

欸嘿,如果是这样,小编应该买不起保温杯!

那么日常生活中所用的真空是如何实现的呢?在好奇心的驱使下,小编发现了这款神器 —— 真空泵!

真空泵

真空泵是指利用机械、物理、化学或物理化学的方法从真空腔体中高速地排出气体,以达到产生、改善和维持真空的目的。根据工作原理的不同,可以分为气体搬运方式和吸附方式两种。

油封式旋片泵

油封式旋片泵原理;1— 偏心转子;2— 旋转翼;3— 泵体;来源:参考文献 1

油封式旋片泵属于低真空泵,工作范围在 10-1~10-5 Pa。主要由偏心转子、旋转翼和泵体所构成。在旋片泵的腔体内安装一个偏心的转子,旋转翼通过弹簧与转子连接,依靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触。

油封式旋片泵示意图

电机带动偏心转子转动时,泵体和旋转翼所包围的两部分空间体积不断变化。与吸气口相通的空间体积增大时,气压降低,从吸气口吸入气体;与排气口相通的空间体积减小时,从排气口排出气体,通过不断抽出腔内气体以获得真空环境。

油封式旋片泵操作简单,能够在大气压下使用,但是旋片泵使用的油会挥发,进入真空腔体。小编回想起做实验时,样品都被机油污染了!

涡轮式干泵

涡轮式干泵原理;来源:参考文献 2

涡轮式干泵由两个涡线共轭,相位像差 180° 的涡旋转子和涡旋定子构成,在两个涡旋体之间形成一系列月牙型压缩腔体。在涡旋体中心开有排气口,涡旋体周边开有吸气口。随着涡旋转子的运动,压缩腔体的体积逐渐减小,并向着中心的排气口运动,从而实现吸入气体、压缩和排出气体的过程。在转子运动过程中,压缩腔周期性的变化,实现连续抽气。

涡轮式干泵示意图

分子泵

分子泵原理;来源:参考文献 1

分子泵的的核心部件是旋转叶片和固定叶片,旋转叶片转速高达 1800~90000 rpm,叶片外端速度可达数百 m / s,接近分子的平均速度,泵内有多组相间的旋转叶片和固定叶片,按一定角度倾斜放置,叶片角度越大,排气速度越大。

分子泵示意图;来源:bilibili

当气体分子与高速旋转的叶片发生碰撞时,获得垂直于叶片表面方向的动量,与固定叶片碰撞之再次飞向下一个旋转叶片,最终被弹出排气口,使得气体分子运动至排气口的概率大于运动至吸气口的概率,从而达到抽气的目的。

分子泵是一种高速旋转的机械泵,可以达到极高的真空度。但是,分子泵无法在大气压下工作,且对固体异物非常脆弱,因此在吸气口安装保护网过滤杂物,

升华泵

升华泵的抽气机理是化学吸附。主要部件是由活性金属钛(Ti)制作的灯丝,通过电流加热灯丝,使得金属钛升华并吸附沉积在冷的泵体壁面上,形成一层钛膜。由于钛的化学活性高,对氮、氧和一氧化碳等活性气体具有比较强烈的吸附作用,并生成氮化钛、碳化钛和氧化钛等稳定的化合物,从而实现排气的目的。

升华泵原理:1— 真空腔体;2— 升华泵小腔体;3— 升华泵;来源:参考文献 1

钛膜上已吸附气体分子的位置不能再吸附气体。因此,升华泵内的灯丝必须不断地升华,使泵体壁面上沉积新的钛膜,才能达到连续抽气的目的。

离子泵

离子泵原理;来源:参考文献 1

离子泵由强磁铁、蜂窝状阳极、钛(Ti)阴极构成。离子泵的基本原理是在两电极之间加上足够大的电压,电离气体分子从而产生离子,离子撞击阴极而被阴极捕捉,同时也产生溅射效果。阴极材料用金属 Ti 制作,金属 Ti 被溅射后,在腔体的内壁连续形成活性膜,继续和气体分子反应,从而不断进行排气。由于磁场的存在,阴极放电可维持在极低的压强下。

低温泵

低温泵的工作原理是利用气体在超低温表面发生物理吸附而达到排气的效果,是获得洁净真空的一种有效、快捷的方法。

低温泵原理;1— 一级冷台;2— 二级冷台;3— 低温罩;4— 屏蔽罩;5— 挡板;来源:参考文献 1

低温泵的一级冷台上,设置屏蔽罩和挡板,温度维持在 80 K。二级冷台维持在 15 K,上面设置低温罩和活性炭吸附剂。

水蒸气凝固在 80 K 屏蔽罩和 80 K 的挡板上;氮气、氧气和 氩气凝固在 15 K 低温罩上;氢气、氦气和氖气被吸附在 15 K 低温罩内侧的吸附剂上,能够达到极高真空(10^(-11)Pa)。

没想到竟然有这么多方法制造真空,小编真是大开眼界了,但不同的真空泵使用条件也不尽相同,需要根据实际情况进行选择,否则难以达到真空的效果,还有可能损坏泵体。

看来

想要暖手又暖心

用保温杯是不行了

真是鱼与熊掌不可兼得

所以

参考资料:

  • [1] 郭方准.实用真空技术: 真空技术 [M]. 大连理工大学出版社,2012.

  • [2] 孙松刚.多腔涡旋真空干泵设计理论与结构改进 [D]. 东北大学.

  • [3] HiPace 涡轮分子泵 - 知乎 (zhihu.com)

  • [4] 钛升华泵_百度百科 (baidu.com)

  • [5] 低温泵_百度百科 (baidu.com)

  • [6] 热传导和对流_哔哩哔哩_bilibili

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:荔枝果冻

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关键词:物理温度真空

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