1.3.3. Cосуд Дьюара

Перейдем к вопросу, пусть не столь важному, как электри­ческое освещение, но тоже нужному. Речь пойдет о бытовом термосе. Пусть в термос налит чай или кофе при температуре 100 °С. Подставляя в нашу формулу 5 = 0,06 м² (высота тер­моса 20 см, диаметр — 10 см), Т₂ = 400 К — температура чая или кофе, Tj = 300 К — температура воздуха в комнате, mи к — как в предшествующем примере, получаем N я» 3 -10^-20 Вт. Но какой поток тепла N допустим? Если мы хотим, чтобы за сутки 1,5 литра кипятка охладились не более, чем на 10 К, надо, чтобы поток тепла был не более 1 Вт (это значение вы легко получите сами). Для этого требуется создать между стенками термоса вакуум 0,07 Па, соответствующий кон­центрации 3-10¹⁹ м^-3. Такой вакуум тоже получить совсем нетрудно.

*) Шероховатая поверхность излучает больше тепла потому, что она... боль­ше ! Ведь мы не видим, какова площадь поверхности на самом деле — микрошероховатости, увеличивая площадь поверхности в десятки раз, воспри­нимаются как «матовость» поверхности.

А вакуум, который надо иметь между стенками сосуда Дьюара для хранения жидкого азота, должен быть выше или ниже? Пусть в сосуде Дьюара хранится некоторое количество жидкого азота. Если мы хотим, например, чтобы из него за не­делю испарилось не более 2 кг жидкого азота, допустим поток   тепла,   приходящего   в   сосуд,   не   более   Nдоп =

(здесь 2 -10⁵ Дж/кг - удельная теплота испарения жидкого азота). Подставляя эту величину и соответствующие значения температуры — комнатную 300 К и жидкого азота 78 К — в нашу формулу, легко получить, что для того, чтобы теплоприток в сосуд Дьюара с площадью стенок, например, 0,3 м² составлял не более 0,7 Вт, нужно иметь вакуум Ю^-2 Па, соответствующий концентрации п = 4-10¹⁸ м^-3. Создание такого вакуума тоже не является сложной задачей Попробуем оценить, какое количество теплоты теряет кофе в термосе и получает жидкий азот в сосуде Дьюара за счет излучения. Поток тепла при излучении оценивается по фор­муле

где Ъ, — излучательная способность стенок сосуда Дьюара, о = = 5,6 • 10^-8 Вт/(м² • К⁴) — постоянная Стефана — Больцмана, Т—температура в Кельвинах, S— площадь поверхности тела*). Излучательная способность меняется в пределах от 0 (абсолют­но блестящее тело — ничего не поглощает и ничего не излу­чает) до 1 (абсолютно черное тело — все поглощает и больше всех излучает). Для хорошо полированного металла и для металлической пленки на полированном стекле, которые используются в термосе и в сосуде Дьюара, излучательная спо­собность !; ш 0,01. Тогда, полагая Т= 400 К и S = 0,06 м² для термоса и Т= 300 К и S= 0,3 м² для сосуда Дьюара с жидким азотом, имеем соответственно около 1—1,5 Вт.

*) По этой формуле можно оценить, например, температуру нити накала лампочки. Сделайте это, положив % = 0,3, S = 1 см², N = 60 Вт.

Иногда теплоизоляционные свойства вакуума очень затруд­няют жизнь конструкторов. Например, надо что-то охлаждать в вакууме, а как? Если предмет, который нужно охлаждать, летает в космосе, то ничего другого не остается, как отводить тепло излучением. Количество теплоты, излучаемое любым телом, возрастает с увеличением его площади и температуры и всегда больше для черного тела, чем для блестящего. Поэтому излучатель надо делать черным и он должен быть либо большим, либо горячим. Но увеличение размеров не­желательно, а рост температуры часто снижает степень надеж­ности приборов.