Die unglaubliche Technologie des Vakuums

Damit ich den Kerker nicht mehr so ​​oft verlassen muss, um mir mehr Koffein zu besorgen, benutze ich seit Kurzem eine 50 Jahre alte Vakuumflasche, die meinem Opa gehörte. Abgesehen davon, dass es auf meinem Beistelltisch absolut fantastisch aussieht, funktioniert dieses Ding immer noch wie neu, zumindest soweit ich das beurteilen kann – es ist älter als ich.

Das brachte mich natürlich dazu, mich zu fragen, wie genau vakuumverschließbare Flaschen, in Haushaltskreisen besser bekannt als Thermoskannen, funktionieren und wie sie erfunden wurden. Die Vakuumflasche ist eine überraschend alte Technologie. Es wurde erstmals vom schottischen Chemiker Sir James Dewar erfunden und 1892 dem Royal Institute vorgestellt. Sechs Jahre später war er der erste Mensch, der Wasserstoff verflüssigte, und gilt als Begründer der Kryotechnik.

Damals war die Verflüssigung von Gasen ein kostspieliger Prozess und es galt, sie so lange wie möglich im flüssigen Zustand zu halten. Sir Dewars Kolben bestand aus zwei Kolben, die durch ein Beinahe-Vakuum getrennt waren, das einen Großteil der Wärmespeicherung übernimmt. Wärme kann durch ein Vakuum nicht transportiert werden, daher bleibt der Inhalt viel länger auf Temperatur, als dies außerhalb des Kolbens der Fall wäre.

Diese Gefäße haben viele andere Verwendungszwecke als das Warmhalten Ihres Kaffees oder das Eishalten Ihres Tees. Sie werden in allen Bereichen der Industrie, Wissenschaft und Medizin häufig eingesetzt, von der Konservierung von Körperflüssigkeiten und Gewebe bis hin zur Messung der elektrischen Energie, der Wetteraufzeichnung und der Ermittlung der Steiggeschwindigkeit eines Flugzeugs. Auch in MRT-Geräten werden Vakuumflaschen verwendet, um den supraleitenden Magneten kühl zu halten. Und sie werden immer noch verwendet, um verflüssigte Gase flüssig zu halten.

Warum sind vakuumversiegelte Flaschen bei der Wärmespeicherung so effektiv? Das hängt davon ab, wie man es betrachtet, denn es gibt vier Hauptmethoden zur Beschreibung von Wärmeverlust: Konvektion, Leitung, Strahlung und Verdunstung.

Der dicht schließende Deckel dichtet die Kammer von oben ab und verhindert die Wärmeübertragung durch Konvektion und Verdunstung. Das nahezu Vakuum zwischen Innen- und Außenkolben trägt dazu bei, Wärmeverluste durch Konvektion weiter zu verhindern.

Die dünnen Wände des Kolbens verhindern die Wärmeleitung, genauso wie Sie ein einzelnes ungefaltetes Blatt Aluminiumfolie in den Toaster legen, es auf die gewünschte Höhe einstellen und es mit bloßen Händen herausziehen können, wenn Ihr Bratwurstbrötchen geröstet ist. Dünne Wände haben eine geringere Masse und leiten daher keine Wärme von der Flüssigkeit im Gefäß ab.

Damals, als die Flaschen mit Glas ausgekleidet waren, waren sie mit einer Silberbeschichtung versehen, die den Wärmeverlust durch Strahlung verhinderte. Die Menschen haben es satt, ihre Thermoskanne jedes Mal auszutauschen, wenn sie sie fallen lassen, weshalb die heutigen Thermosflaschen viel eher mit Stahl ausgekleidet sind.

Wenn man auf das 21. Jahrhundert zurückblickt, kann man leicht annehmen, dass gleichzeitig an heiße und kühle Anwendungen gedacht wurde, aber das ist nicht der Fall. Der vakuumversiegelte Kolben war nicht Sir James Dewars erster Versuch, die Temperatur langfristig aufrechtzuerhalten. Zusammen mit dem Physiker und Landsmann Peter Tait hatte er rund zwanzig Jahre zuvor einen vakuumisolierten Becher zum Warmhalten von Substanzen entwickelt. Sir Dewars vakuumversiegelter Kolben, der dazu bestimmt war, verflüssigte Gase kühl zu halten, hatte einen viel engeren Hals als der heiße Kelch und war mit einer Silberbeschichtung ummantelt, die Wärmeverluste durch Strahlung verhinderte.

Sir Dewar war berühmt für seinen Hitzkopf. Er hatte sich mit Alfred Nobel wegen des Korditpatents gestritten und seine vakuumversiegelte Flasche nie patentieren lassen. Einer seiner Glasbläser, Reinhold Burger, und ein anderer Glasbläser, Albert Aschenbrenner, entdeckten, dass die Flasche auch Babymilch mehrere Stunden lang warm hielt, und erkannten ihr kommerzielles Potenzial. Sie ließen die Thermoskanne 1904 patentieren. Sir Dewar verlor später seinen Prozess gegen das Unternehmen. Obwohl sie ihn als Erfinder anerkannten, hatte er seine Erfindung nicht patentieren lassen, sodass sie im Rahmen ihrer Rechte lagen.

Hier ist eine lustige Tatsache über die Thermodynamik, mit freundlicher Genehmigung von uns [Adam Zeloof]: Ein Bier auf der Seite im Kühlschrank kühlt schneller ab als die vertikale Dose daneben. Dies liegt daran, dass horizontale Zylinder im Hinblick auf die natürliche Konvektion eine höhere Wärmeübertragung aufweisen als vertikale Zylinder. Das gilt für jede Flüssigkeit in einem verschlossenen Zylinder, nicht nur für die kohlensäurehaltige, alkoholische Sorte. Denken Sie also daran, dass die Bodega das nächste Mal nur warme Kisten Pabst Blue Ribbon und Flaschen Club Mate hat. Kühlen Sie es seitlich ab und gießen Sie es dann in einen vakuumversiegelten Kolben.