Frasco de vácuo - Vacuum flask

O desenho típico de uma garrafa térmica da marca Thermos , usada para manter a temperatura de fluidos como o café .
Frasco Dewar do laboratório, Deutsches Museum , Munique
Diagrama de uma garrafa térmica

Um frasco a vácuo (também conhecido como frasco Dewar , garrafa Dewar ou garrafa térmica ) é um recipiente de armazenamento isolante que aumenta muito o tempo durante o qual seu conteúdo permanece mais quente ou mais frio do que o ambiente ao redor do frasco. Inventado por Sir James Dewar em 1892, o frasco a vácuo consiste em dois frascos , colocados um dentro do outro e unidos pelo gargalo. A lacuna entre os dois frascos é parcialmente evacuada de ar, criando um quase vácuo que reduz significativamente a transferência de calor por condução ou convecção .

Os frascos a vácuo são usados ​​internamente, para manter as bebidas quentes ou frias por longos períodos de tempo e para muitas finalidades na indústria.

História

Gustav Robert Paalen, Embarcação de Parede Dupla. Patente de 27 de junho de 1908, publicada em 13 de julho de 1909

O frasco a vácuo foi projetado e inventado pelo cientista escocês Sir James Dewar em 1892 como resultado de sua pesquisa no campo da criogenia e às vezes é chamado de frasco Dewar em sua homenagem. Enquanto realizava experimentos para determinar o calor específico do elemento paládio , Dewar fez uma câmara de latão que ele encerrou em outra câmara para manter o paládio em sua temperatura desejada. Ele evacuou o ar entre as duas câmaras, criando um vácuo parcial para manter a temperatura do conteúdo estável. Com a necessidade desse recipiente isolado, James Dewar criou o frasco a vácuo, que se tornou uma ferramenta significativa para experimentos químicos e também um item doméstico comum. Posteriormente, o frasco foi desenvolvido com novos materiais, como vidro e alumínio ; no entanto, Dewar se recusou a patentear sua invenção.

O design de Dewar foi rapidamente transformado em um item comercial em 1904 quando dois sopradores de vidro alemães , Reinhold Burger e Albert Aschenbrenner, descobriram que ele poderia ser usado para manter bebidas geladas e quentes quentes e inventaram um design de frasco mais robusto, adequado para o dia a dia usar. O design do frasco Dewar nunca foi patenteado, mas os alemães que descobriram o uso comercial do produto o chamaram de Thermos e, posteriormente, reivindicaram os direitos do produto comercial e a marca registrada do nome. Em sua tentativa subsequente de reivindicar os direitos da invenção, Dewar perdeu um processo judicial para a empresa. A fabricação e o desempenho da garrafa térmica foram significativamente melhorados e refinados pelo inventor e comerciante vienense Gustav Robert Paalen, que projetou vários tipos para uso doméstico, que ele também patenteou e distribuiu amplamente, por meio das empresas de garrafas térmicas nos Estados Unidos. Canadá e Reino Unido, que compraram licenças para os respectivos mercados nacionais. A American Thermos Bottle Company montou uma produção em massa em Norwich, CT , o que baixou os preços e possibilitou a ampla distribuição do produto para uso doméstico. Com o tempo, a empresa expandiu o tamanho, as formas e os materiais desses produtos de consumo, usados ​​principalmente para transportar café em trânsito e transportar líquidos em acampamentos para mantê-los quentes ou frios. Eventualmente, outros fabricantes produziram produtos semelhantes para uso do consumidor.

O nome mais tarde se tornou uma marca registrada genérica após o termo "garrafa térmica" se tornar o nome familiar para esse recipiente isolado a vácuo para líquidos. A garrafa térmica passou a ser usada para diversos tipos de experimentos científicos e a "garrafa térmica" comercial se transformou em um item comum. Thermos continua sendo uma marca registrada em alguns países, mas foi declarada uma marca genérica por ação judicial nos Estados Unidos em 1963, por ter se tornado coloquialmente sinônimo de frascos a vácuo em geral. No entanto, existem outros frascos de vácuo.

Projeto

O frasco de vácuo consiste em dois vasos, um colocado dentro do outro e unidos pelo gargalo. A lacuna entre os dois vasos é parcialmente evacuada de ar, criando um vácuo parcial que reduz a condução de calor ou convecção . A transferência de calor por radiação térmica pode ser minimizada pelo prateamento das superfícies do frasco voltadas para a lacuna, mas pode se tornar problemática se o conteúdo do frasco ou arredores estiverem muito quentes; portanto, os frascos a vácuo geralmente mantêm o conteúdo abaixo do ponto de ebulição da água. A maior parte da transferência de calor ocorre através do gargalo e da abertura do frasco, onde não há vácuo. Os frascos de vácuo são geralmente de metal , vidro borossilicato , espuma ou plástico e têm a sua abertura rolhada com cortiça ou plástico de polietileno. Os frascos de vácuo são freqüentemente usados ​​como contêineres isolados .

Frascos a vácuo extremamente grandes ou longos às vezes não podem suportar totalmente o frasco interno apenas pelo gargalo, portanto, suporte adicional é fornecido por espaçadores entre o invólucro interno e externo. Esses espaçadores agem como uma ponte térmica e reduzem parcialmente as propriedades de isolamento do frasco em torno da área onde o espaçador entra em contato com a superfície interna.

Diversas aplicações tecnológicas, como máquinas de RMN e RM , contam com o uso de frascos de duplo vácuo. Esses frascos têm duas seções de vácuo. O frasco interno contém hélio líquido e o frasco externo contém nitrogênio líquido, com uma seção de vácuo no meio. A perda do precioso hélio é limitada dessa forma.

Outras melhorias no frasco a vácuo incluem o escudo de radiação resfriado a vapor e o gargalo resfriado a vapor , os quais ajudam a reduzir a evaporação do frasco.

Pesquisa e indústria

Em laboratórios e na indústria, os frascos a vácuo são freqüentemente usados ​​para conter gases liquefeitos (comumente nitrogênio líquido com um ponto de ebulição de 77 K) para congelamento instantâneo, preparação de amostras e outros processos onde a criação ou manutenção de uma temperatura extremamente baixa é desejada. Frascos a vácuo maiores armazenam líquidos que se tornam gasosos bem abaixo da temperatura ambiente, como oxigênio e nitrogênio ; neste caso, o vazamento de calor para o interior extremamente frio da garrafa resulta em uma lenta ebulição do líquido, de modo que uma abertura estreita sem tampa, ou uma abertura com tampa protegida por uma válvula de alívio de pressão , é necessária para evitar o aumento da pressão e eventualmente estilhaçando o frasco. O isolamento do frasco de vácuo resulta em uma "fervura" muito lenta e, portanto, o conteúdo permanece líquido por longos períodos sem equipamento de refrigeração .

Frascos de vácuo têm sido usados ​​para alojar células padrão e diodos Zener forno , junto com sua placa de circuito impresso, em dispositivos de regulação de tensão de precisão usados ​​como padrões elétricos. O frasco ajudou a controlar a temperatura do Zener por um longo período de tempo e foi usado para reduzir as variações da tensão de saída do padrão Zener devido à flutuação da temperatura para algumas partes por milhão.

Um uso notável foi pela Guildline Instruments, do Canadá, em seu Transvolt, modelo 9154B, célula padrão saturada, que é um padrão de voltagem elétrica. Aqui, um frasco de vácuo prateado foi envolto em isolamento de espuma e, usando um grande tampão de vácuo de vidro, segurou a célula saturada. A saída do dispositivo foi de 1,018 volts e foi mantida em algumas partes por milhão.

O princípio do frasco de vácuo o torna ideal para armazenar certos tipos de combustível de foguete, e a NASA o usou extensivamente nos tanques de propelente dos veículos de lançamento de Saturno nas décadas de 1960 e 1970.

Frasco a vácuo "Thermofix" dos anos 1930.

O design e a forma do frasco Dewar foram usados ​​como modelo para experimentos ópticos baseados na ideia de que a forma dos dois compartimentos com o espaço entre eles é semelhante à forma como a luz atinge o olho. O balão a vácuo também fez parte de experimentos usando-o como capacitor de diferentes produtos químicos, a fim de mantê-los em uma temperatura consistente.

O frasco Dewar industrial é a base de um dispositivo usado para isolar passivamente remessas médicas. A maioria das vacinas é sensível ao calor e requer um sistema de cadeia de frio para mantê-las estáveis, próximas a temperaturas de congelamento. O dispositivo usa oito Arktek de um litro blocos de gelo para vacinas preensão em menos de 10 ° C .

Na indústria de petróleo e gás, os frascos Dewar são usados ​​para isolar os componentes eletrônicos em ferramentas de perfilagem wireline . As ferramentas convencionais de perfilagem (avaliadas para 350 ° F) são atualizadas para especificações de alta temperatura, instalando todos os componentes eletrônicos sensíveis em um Dewar fl ask.

Segurança

Os frascos de vácuo correm o risco de implosão e os recipientes de vidro sob vácuo, em particular, podem quebrar inesperadamente. Lascas, arranhões ou rachaduras podem ser um ponto de partida para falhas perigosas do vaso, especialmente quando a temperatura do vaso muda rapidamente (quando líquido quente ou frio é adicionado). A preparação adequada do frasco de vácuo Dewar por têmpera antes do uso é aconselhável para manter e otimizar o funcionamento da unidade. Os frascos de vidro a vácuo são geralmente encaixados em uma base de metal com o cilindro contido ou revestido com malha de alumínio ou plástico para auxiliar no manuseio, protegê-lo de danos físicos e conter fragmentos caso se quebrem.

Além disso, o armazenamento criogênico de orvalho geralmente é pressurizado e pode explodir se as válvulas de alívio de pressão não forem usadas.

A expansão térmica deve ser levada em consideração ao projetar uma garrafa térmica . As paredes externas e internas estão expostas a diferentes temperaturas e se expandirão em taxas diferentes. A garrafa térmica pode se romper devido ao diferencial de expansão térmica entre as paredes externa e interna. As juntas de expansão são comumente usadas em frascos de vácuo tubulares para evitar a ruptura e manter a integridade do vácuo.

Termodinâmica

A taxa de perda de calor (energia) através de um frasco de vácuo pode ser analisada termodinamicamente, a partir da segunda relação T dS :

Assumindo pressão constante ao longo do processo,

Reorganizando a equação em termos da temperatura da superfície externa da parede interna da garrafa de vácuo,

Onde

  • T surr é a temperatura do ar circundante
  • Δ S é a mudança na entropia específica do aço inoxidável
  • c p é a capacidade de calor específica do aço inoxidável
  • T c é a temperatura do líquido contido dentro do frasco
  • T b ′ é a temperatura da superfície externa da parede interna da garrafa térmica

Agora considere a expressão geral para perda de calor devido à radiação:

No caso da garrafa térmica,

Substituindo nossa expressão anterior por T b ′ ,

Onde

  • Q0 é a taxa de transferência de calor por radiação através da porção de vácuo do frasco
  • A in é a área da superfície externa da parede interna do frasco
  • ε ss é a emissividade do aço inoxidável
  • σ é a constante de Stefan – Boltzmann

Supondo que a superfície externa da parede interna e a superfície interna da parede externa do frasco a vácuo sejam revestidas com prata polida para minimizar a perda de calor devido à radiação, podemos dizer que a taxa de absorção de calor pela superfície interna do frasco parede é igual à absortividade da prata polida vezes o calor irradiado pela superfície externa da parede interna,

Para que o equilíbrio de energia seja mantido, o calor perdido através da superfície externa da parede externa deve ser igual ao calor absorvido pela superfície interna da parede externa,

Uma vez que a absortividade da prata polida é a mesma que sua emissividade, podemos escrever

Devemos também considerar a taxa de perda de calor através da tampa do frasco de vácuo (supondo que seja feito de polipropileno, um plástico comum) onde não há vácuo dentro do material. Nesta área, os três modos de transferência de calor de condução, convecção e radiação estão presentes. Portanto, a taxa de perda de calor através da tampa é,

Onde

  • k é a condutividade térmica do ar
  • h é o coeficiente de transferência de calor convectivo do ar livre
  • ε pp é a emissividade do polipropileno
  • Uma tampa é a área de superfície externa da tampa
  • cpp
    p
    é a capacidade térmica específica do polipropileno
  • Δ S pp é a entropia específica de polipropileno
  • Δ x é a distância sobre a qual a condução através do gradiente de temperatura ocorre

Agora temos uma expressão para a taxa total de perda de calor, que é a soma da taxa de perda de calor pelas paredes da garrafa de vácuo e a taxa de perda de calor pela tampa,

onde substituímos cada uma das expressões para cada componente na equação.

A taxa de geração de entropia desse processo também pode ser calculada, a partir do balanço de entropia:

Escrito na forma de taxa,

Assumindo um processo de estado estacionário,

Como não há aquecimento adicionado ao sistema,

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos