حافظة مشروباتك الحرارية وكيفية عملها

يمكنكم الاستماع إلى العمل عبر الرابط:


كيف تخسر الأجسام حرارتها؟
في تعريفه ل"التوازن الحراري" ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنه "إذا كان هناك جسمان منفصلان في حالة توازن حراري مع جسم ثالث، فإن الجسمين في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض."

إذا كان A و B متماسين وفي حالة توازن حراري، وكان B وC متماسين وفي حالة توازن حراري، فإن A في حالة توازن حراري مع C حتى ولو لم يكن هناك تماس مباشر فيما بينهما. في حالة التوازن الحراري تكون درجة حرارة الجسمين هي نفسها (1).

يعني: إذا وضع جسمان في مكان واحد بدرجات حرارة مختلفة، فإن أحد الجسمين يكتسب الحرارة التي يفقدها الجسم الآخر بدورِه، حيث تنتقل الحرارة من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأقل سخونة، إلى أن يصلا إلى حالة التوازن، وهي الحالة التي نحاول منعها من الحدوث باستخدام حافظة المشروبات الحرارية (1).

تنتقل الحرارة بثلاث طرق هي:
- التوصيل Conduction 
- الحمل Convection 
- الإشعاع Radiation  
(2).

وقد كان العالم الاسكتلندي James Dewar جيمس ديوار (1842-1923) مهتمًا بعلم التبريد وما يُعرف بعلم درجات الحرارة شديدة الانخفاض، ومنذ اللحظة الأولى بذل السير ديوار جهودا مضنية للوصول للهيدروجين المُسال وحفظه في ظروف مناسبة للحيلولة دون نقل الحرارة إليه بشتى الطرائق، و في عام  1898 باستخدام النيتروجين المسال تحت ضغط عال يصل إلي 180 ضعفًا للضغط الجوي العادي،كان أول شخص يحصل على الهيدروجين السائل(3).

Image: Royal Institution

وقد صمم قارورته الشهيرة Dewar Flask في الأساس لمنع الهواء السائل من التبخر السريع، وقد اضطر السير ديوار لمواجهة فيض من الصعوبات لعدم وجود حاويات لحفظ الهواء المسال، والحفاظ على درجة حرارته، وعزلها عن الظروف المحيطة (4).

 ويبدو أنه نجح في الحصول على ما أراد، واليوم تطوًر تصميمه الأولي وتغير شكله لعشرات الصور المختلفة التي تنتشر في شتى بقاع الأرض ونتعامل معها كل يوم، وبناءً على فكرته أصبحت هذه القارورة صديقة الأسرة وأداة عملية لا غنى عنها، بل أكاد أصطحبها معي يوميًا وبداخلها قهوتي!(4).

أساس التكوين الحالي:

Image: http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/activities/Thermal_Physics/Thermos_Flask.pdf

القارورة التي تطورت على نحو كبير اليوم، هي بالأساس تطوّر لما يعرف بقارورة ديوار Dewar Flask، وهي إناء له جدران مزدوجة، يُفرغ الهواء بين الجدارين الداخليين وتُستخدم الفضة في الطبقة الملاصقة للسائل المحفوظ في الداخل، وباعتبار أنك وضعت قهوتك الساخنة في الحافظة، فإن انتقال الحرارة سيكون من الداخل (القهوة) إلى الخارج حيث درجة الحرارة الأقل (في غرفتك أو حيث تجلس ومعك الحافظة)،  على كون السائل المحفوظ هو الأعلى في درجة الحرارة، ما لم تكن تهوى الجلوس في مكان كفرن مثلًا!

إن كون الهواء قليل جدًا بين الجدران فلا يوجد تقريبًا أي انتقال للحرارة بالحمل Convection،  والطبقة الفضية تتغلب على محاولات انتقال الحرارة بالإشعاع Radiation، فتعكس الحرارة المشعة إلى الداخل مجددًا باتجاه قهوتك الدافئة.

ينبغي الإشارة هنا إلى أن انتقال الحرارة بالتوصيل فقط سيحدث بطبيعة الحال عند النقاط التي تلتقي فيها الجداران، في الجزء العلوي من الإناء، أو القاعدة (والتي تعزلها الشركات المصنعة أيضًا) (5).

ينبغي الإشارة هنا إلى أنه منذ قرن وربع تقريبًا، لم يكن الحصول على تجويف من الفراغ Vacuum vessel بهذه البساطة!  فعندما بدأ ديوار محاولاته لابتكار هذه الآنية الفريدة، بذل الكثير من الجهد لإزالة آثار الغاز المتبقية في التجويف المفرَغ من الهواء، وفي كثير من الأحيان كان لا بد من أن يحفظ الأوعية في الفرن لفترات تصل إلى عدة أيام، ثم بعد ذلك للحفاظ على الفراغ استُخدِم الفحم، وفي ذلك الوقت كان هذا تحديًا آخر،  ومن دون فحم لا يمكن الحفاظ على الفراغ في قلب الحاوية (4).

 لقد أصبح ديوار أول شخص يصنع الهيدروجين السائل في عام 1898 (3)، وفي حين أنه رُشّح عدة مرات لجائزة نوبل لأبحاث مختلفة تخص فيزياء درجات الحرارة المنخفضة، إلا أنه لم يفز بها أبدًا (6,7).

إن جيمس ديوار صاحب تجارب من نوع فريد، أضافت الكثير من المتعة لحياتنا،  وعرضت قارورته في مسرح المعهد الملكي Royal Institution وهي التي تراها هنا على اليسار. في الوقت الحاضر، تُشغّل الصواريخ الفضائية بغازات مُسالة فائقة التبريد أحدها الهيدروجين(8).

Image: Paul Wilkinson

ولا تنس أن تحفظ مشروبك لتستمتع به في كل لحظة .. ساخنًا كان أو باردًا!

المصادر:

1-Grc.nasa.gov. n.d. Thermodynamic Equilibrium. [online] Available at: هنا 
2-.16.1 Heat Transfer Modes [Internet]. Web.mit.edu. 2020 [cited 6 December 2020]. Available from: هنا
3- Züttel A, Borgschulte A, Schlapbach L. Hydrogen as a future energy carrier. Weinheim: Wiley; 2011. 
4-BRAGG, W., 1940. History Of The Vacuum Flask*. [online] Nature. Available at: هنا 
5- Physics.usyd.edu.au. n.d. School Of Physics, Sydney University. [online] Available at: هنا
6-Mehlin H. Nomination archive - NobelPrize.Org [Internet]. Nobelprize.org. 2020 [cited 2020 Dec 6]. Available from: هنا
7-This month in physics history [Internet]. Aps.org. [cited 2020 Dec 6]. Available from: هنا
8-Rigb.org. n.d. James Dewar's Vacuum Flask. [online] Available at: هنا