Сосуд Дьюара

Сосуд Дьюара, также известный как термос или дьюар, — это контейнер, предназначенный для хранения веществ при экстремально низких или высоких температурах. Он был изобретен шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром в конце XIX века.

Такой сосуд состоит из двух ёмкостей, одна внутри другой, между которыми находится вакуум. Дополнительно внутренние поверхности этих ёмкостей покрываются отражающим материалом (обычно серебром или алюминием), что минимизирует теплопередачу за счет излучения.

Теплоизоляционный контейнер имеет довольно широкий спектр применения:

1. Широко используется для хранения и транспортировки жидкого азота, жидкого кислорода, жидкого водорода и других криогенных жидкостей.
2. Используется в лабораториях для экспериментов, требующих сверхнизких температур.
3. Необходим для хранения биологических образцов, таких как сперма, яйцеклетки и стволовые клетки, при низких температурах.
4. В медицине и биотехнологиях применяется для безопасной транспортировки при контролируемых температурах.

Сами криогенные жидкости также имеют широкое применение:

• В научных исследованиях и технологиях они играют ключевую роль. Они используются в криогенной инженерии для охлаждения сверхпроводящих магнитов в ускорителях частиц и ядерных реакторах. Криогенная электроника использует сверхпроводящие материалы для создания высокочувствительных датчиков и других электронных устройств. В биологии и медицине сжиженные газы применяются для сохранения биологических образцов, таких как клетки, ткани, сперма и эмбрионы, при низких температурах для долгосрочного хранения.
• В медицине жидкий азот применяется в криохирургии для удаления патологических тканей, таких как бородавки и опухоли, путем их замораживания. Криоконсервация позволяет длительно хранить биологические образцы, например, стволовые клетки, яйцеклетки и сперматозоиды, для последующего использования в медицинских процедурах, таких как экстракорпоральное оплодотворение.
• В промышленности они находят применение в металлообработке, включая термическую обработку и охлаждение металлов для повышения их прочности и устойчивости. Они используются в производстве газа для разделения воздуха на компоненты, такие как кислород, азот и аргон, при помощи процессов сжижения и последующего разделения. Также они необходимы для хранения и транспортировки сжиженного природного газа (СПГ) и других криогенных жидкостей для энергетических нужд.
• В продовольственной промышленности криогенные жидкости используются для шоковой заморозки продуктов питания, что позволяет сохранить их свежесть и текстуру. Они также применяются для создания условий низких температур при хранении и транспортировке продуктов питания.
• В энергетике сжиженные газы играют важную роль в хранении и транспортировке СПГ в криогенных танкерах для использования в качестве топлива. Жидкий водород и жидкий кислород применяются в качестве компонентов ракетного топлива.
• Криогенные жидкости находят применение и в индустрии развлечений. В кино и театре их используют для генерации «дыма», а в аттракционах и развлекательных шоу — для создания эффектов заморозки и тумана.
• Кроме того, криогенные жидкости применяются в чистке и обработке поверхностей. Криогенная очистка с использованием жидкого азота или углекислоты позволяет эффективно удалять загрязнения с поверхностей оборудования и машин без использования химических растворителей.

Таким образом, криогенные жидкости находят широкое применение в науке, медицине, промышленности, энергетике и других сферах благодаря своим уникальным физическим свойствам, позволяющим достигать и поддерживать экстремально низкие температуры.

Принцип работы

Принцип работы такого контейнера заключается в минимизации теплопередачи между содержимым сосуда и внешней средой. Этот эффект достигается благодаря следующим конструктивным особенностям:

1. Как было указано выше, Дьюар состоит из двух сосудов, один внутри другого. Внутренний сосуд содержит криогенную жидкость или вещество, которое нужно сохранять при низкой температуре, а внешний сосуд окружает внутренний.
2. Вакуумная изоляция: Из пространства между двумя стенками сосуда выкачивается весь воздух, образуется вакуум. Это практически исключает теплопередачу за счет конвекции и проводимости, так как в вакууме отсутствует материальная среда для передачи тепла.
3. Отражающие покрытия: Внутренние поверхности двойных стенок часто покрываются отражающим материалом, таким как алюминий или серебро. Эти покрытия уменьшают теплопередачу за счет излучения, отражая тепловые лучи обратно к источнику.
4. Герметичность: Сосуд герметично закрывается, чтобы минимизировать попадание воздуха, что также способствует снижению теплопередачи.
5. Крышка и горловина: Крышка и горловина сосуда Дьюара также спроектированы таким образом, чтобы минимизировать теплопередачу. Часто они изготавливаются из материалов с низкой теплопроводностью или имеют дополнительную изоляцию.

Механизмы теплопередачи и их минимизация

• Конвекция: В вакууме нет частиц, которые могли бы переносить тепло путем движения, поэтому конвекция практически полностью исключена.
• Проводимость: Вакуум и низкая теплопроводность используемых материалов (например, стекла или нержавеющей стали) значительно уменьшают теплопередачу за счет проводимости.
• Излучение: Отражающие покрытия на стенках сосуда снижают теплопередачу за счет излучения, отражая инфракрасные лучи.

Таким образом, принцип работы сосуда Дьюара заключается в использовании вакуумной изоляции и отражающих покрытий для минимизации теплопередачи, что позволяет эффективно сохранять низкие температуры содержимого.