Dosis de vacuna

Recipiente de almacenamiento aislado

"Thermos" vuelve a dirigir aquí. Para la empresa, consulte Thermos LLC . Para otros usos, consulte Thermos (desambiguación) .

Este artículo trata sobre el matraz aislado al vacío. Para el matraz utilizado en la filtración al vacío, ver matraz Büchner .

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El diseño típico de un frasco de vacío de la marca Thermos , utilizado para mantener la temperatura de líquidos como el café .

Matraz Dewar de laboratorio, Deutsches Museum , Munich

Diagrama de un matraz de vacío

A dewar de almacenamiento criogénico de nitrógeno líquido , utilizado para suministrar un congelador criogénico

Un matraz de vacío (también conocido como matraz Dewar , botella Dewar o termo ) es un recipiente de almacenamiento aislante que alarga enormemente el tiempo durante el cual su contenido permanece más caliente o más frío que los alrededores del matraz. Inventado por Sir James Dewar en 1892, el matraz de vacío consta de dos matraces , colocados uno dentro del otro y unidos por el cuello. El espacio entre los dos matraces se evacua parcialmente de aire, creando un casi vacío que reduce significativamente la transferencia de calor por conducción o convección .

Los frascos de vacío se utilizan a nivel nacional para mantener las bebidas calientes o frías durante períodos prolongados y para muchos fines en la industria.

Historia

Gustav Robert Paalen, Buque de doble pared. Patente el 27 de junio de 1908, publicada el 13 de julio de 1909

El matraz de vacío fue diseñado e inventado por el científico escocés Sir James Dewar en 1892 como resultado de su investigación en el campo de la criogenia y a veces se le llama matraz Dewar en su honor. Mientras realizaba experimentos para determinar el calor específico del elemento paladio , Dewar hizo una cámara de latón que encerró en otra cámara para mantener el paladio a la temperatura deseada. ^[1]Él evacuó el aire entre las dos cámaras, creando un vacío parcial para mantener estable la temperatura del contenido. Debido a la necesidad de este recipiente aislado, James Dewar creó el matraz de vacío, que se convirtió en una herramienta importante para experimentos químicos y también se convirtió en un artículo doméstico común. Posteriormente, el matraz se desarrolló utilizando nuevos materiales como vidrio y aluminio ; sin embargo, Dewar se negó a patentar su invención. ^[1]

El diseño de Dewar se transformó rápidamente en un artículo comercial en 1904 cuando dos sopladores de vidrio alemanes , Reinhold Burger y Albert Aschenbrenner, descubrieron que podía usarse para mantener las bebidas frías frías y las bebidas calientes calientes e inventaron un diseño de matraz más robusto, que era adecuado para todos los días. usar. ^{[2] [3]} El diseño del matraz Dewar nunca había sido patentado, pero los alemanes que descubrieron el uso comercial del producto lo llamaron Thermos , y posteriormente reclamaron tanto los derechos del producto comercial como la marca comercial del nombre. En su intento posterior de reclamar los derechos de la invención, Dewar perdió un caso judicial ante la empresa. ^[4]El inventor y comerciante vienés Gustav Robert Paalen mejoró y perfeccionó significativamente la fabricación y el rendimiento de la botella termo, que también patentó y distribuyó ampliamente a través de Thermos Bottle Companies en los Estados Unidos, quien diseñó varios tipos para uso doméstico. Canadá y el Reino Unido, que compraron licencias para los respectivos mercados nacionales. The American Thermos Bottle Company construyó una producción en masa en Norwich , CT, lo que redujo los precios y permitió la amplia distribución del producto para uso doméstico. ^[2] Con el tiempo, la empresa amplió el tamaño, las formas y los materiales de estos productos de consumo, que se utilizan principalmente para transportar café.sobre la marcha y llevar líquidos en viajes de campamento para mantenerlos calientes o fríos. Finalmente, otros fabricantes produjeron productos similares para uso del consumidor.

Más tarde, el nombre se convirtió en una marca comercial genérica después de que el término "termo" se convirtiera en el nombre familiar de un recipiente para líquidos aislado al vacío. ^{[2] [5]} El matraz de vacío pasó a ser utilizado para muchos tipos diferentes de experimentos científicos y el "termo" comercial se transformó en un artículo común. Thermos sigue siendo una marca registrada en algunos países, pero fue declarada marca genérica por acción judicial en los Estados Unidos en 1963, ya que se había convertido coloquialmente en sinónimo de frascos de vacío en general. ^[5] Sin embargo, existen otros frascos de vacío.

Diseño

El matraz de vacío consta de dos recipientes, uno colocado dentro del otro y unidos por el cuello. El espacio entre los dos recipientes se evacua parcialmente de aire, creando un vacío parcial que reduce la conducción de calor o la convección . La transferencia de calor por radiación térmica puede minimizarse plateando las superficies del matraz que miran hacia el espacio, pero puede volverse problemático si el contenido o los alrededores del matraz están muy calientes; por lo tanto, los matraces de vacío suelen contener contenidos por debajo del punto de ebullición del agua. La mayor parte de la transferencia de calor ocurre a través del cuello y la apertura del matraz, donde no hay vacío. Los matraces de vacío suelen estar hechos de metal , vidrio de borosilicato , espumao plástico y tener la abertura tapada con corcho o plástico de polietileno. Los matraces de vacío se utilizan a menudo como contenedores de transporte aislados .

Los matraces de vacío extremadamente grandes o largos a veces no pueden soportar completamente el matraz interior solo desde el cuello, por lo que los espaciadores entre la carcasa interior y exterior proporcionan un soporte adicional . Estos espaciadores actúan como un puente térmico y reducen parcialmente las propiedades aislantes del matraz alrededor del área donde el espaciador hace contacto con la superficie interior.

Varias aplicaciones tecnológicas, como las máquinas NMR y MRI , se basan en el uso de matraces de vacío dobles. Estos matraces tienen dos secciones de vacío. El matraz interior contiene helio líquido y el matraz exterior contiene nitrógeno líquido, con una sección de vacío en el medio. La pérdida de helio precioso se limita de esta manera.

Otras mejoras al matraz de vacío incluyen el escudo de radiación enfriado por vapor y el cuello enfriado por vapor , ^[6] los cuales ayudan a reducir la evaporación del matraz.

Investigación e industria

Ver también: Dewar de almacenamiento criogénico

En los laboratorios y la industria, los matraces de vacío se utilizan a menudo para contener gases licuados (a menudo LN2) para congelación instantánea, preparación de muestras y otros procesos en los que se desea mantener una temperatura extremadamente baja. Los matraces de vacío más grandes almacenan líquidos que se vuelven gaseosos muy por debajo de la temperatura ambiente, como oxígeno y nitrógeno ; En este caso, la fuga de calor hacia el interior extremadamente frío de la botella da como resultado una lenta ebullición del líquido, de modo que es necesaria una abertura estrecha sin tapón o una abertura con tapón protegida por una válvula de alivio de presión para evitar la presión.de acumularse y eventualmente romper el matraz. El aislamiento del matraz de vacío da como resultado una "ebullición" muy lenta y, por lo tanto, el contenido permanece líquido durante largos períodos sin equipo de refrigeración .

Los matraces de vacío se han utilizado para alojar celdas estándar y diodos Zener horneados , junto con su placa de circuito impreso, en dispositivos de regulación de voltaje de precisión utilizados como estándares eléctricos. El matraz ayudó a controlar la temperatura Zener durante un período de tiempo prolongado y se utilizó para reducir las variaciones del voltaje de salida del estándar Zener debido a la fluctuación de la temperatura a unas pocas partes por millón.

Un uso notable fue por Guildline Instruments, de Canadá, en su Transvolt, modelo 9154B, celda estándar saturada, que es un estándar de voltaje eléctrico. Aquí, un matraz de vacío plateado se envolvió en un aislamiento de espuma y, utilizando un gran tapón de vacío de vidrio, sostuvo la celda saturada. La salida del dispositivo fue de 1.018 voltios y se mantuvo dentro de unas pocas partes por millón.

El principio del matraz de vacío lo hace ideal para almacenar ciertos tipos de combustible para cohetes, y la NASA lo usó ampliamente en los tanques de propulsión de los vehículos de lanzamiento de Saturno en las décadas de 1960 y 1970. ^[7]

El diseño y la forma del matraz Dewar se utilizó como modelo para experimentos ópticos basados ​​en la idea de que la forma de los dos compartimentos con el espacio entre ellos es similar a la forma en que la luz incide en el ojo. ^[8] El matraz de vacío también ha sido parte de experimentos que lo utilizan como condensador de diferentes productos químicos para mantenerlos a una temperatura constante. ^[9]

El matraz industrial Dewar es la base de un dispositivo que se utiliza para aislar pasivamente envíos médicos. ^{[10] [11]} La mayoría de las vacunas son sensibles al calor ^{[12] [13]} y requieren un sistema de cadena de frío para mantenerlas estables, cercanas a temperaturas bajo cero. El dispositivo Arktek utiliza ocho bloques de hielo de un litro a las vacunas de retención en virtud de 10 ° C . ^[14]

En la industria del petróleo y el gas, los frascos Dewar se utilizan para aislar los componentes electrónicos en las herramientas de registro con cable . ^{[15] Las} herramientas de registro convencionales (clasificadas a 350 ° F) se actualizan a las especificaciones de alta temperatura mediante la instalación de todos los componentes electrónicos sensibles en un matraz Dewar. ^[dieciséis]

Seguridad

Los matraces de vacío tienen riesgo de implosión y los recipientes de vidrio al vacío, en particular, pueden romperse inesperadamente. Las astillas, los rayones o las grietas pueden ser un punto de partida para una peligrosa falla del recipiente, especialmente cuando la temperatura del recipiente cambia rápidamente (cuando se agrega líquido frío o caliente). Se recomienda la preparación adecuada del matraz al vacío Dewar mediante el templado antes de su uso para mantener y optimizar el funcionamiento de la unidad. Los matraces de vidrio al vacío generalmente se colocan en una base de metal con el cilindro dentro o recubierto con malla, aluminio o plástico para ayudar en la manipulación, protegerlo de daños físicos y contener fragmentos en caso de que se rompan. ^{[ cita requerida ]}

Además, los dewars de almacenamiento criogénico suelen estar presurizados y pueden explotar si no se utilizan válvulas de alivio de presión .

La expansión térmica debe tenerse en cuenta al diseñar un matraz de vacío. Las paredes exterior e interior están expuestas a diferentes temperaturas y se expandirán a diferentes velocidades. El matraz de vacío puede romperse debido al diferencial de expansión térmica entre las paredes exterior e interior. Las juntas de expansión se utilizan comúnmente en matraces de vacío tubulares para evitar la rotura y mantener la integridad del vacío.

Termodinámica

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La tasa de pérdida de calor (energía) a través de un matraz de vacío se puede analizar termodinámicamente, a partir de la segunda relación T  dS : ^[17]

${\displaystyle {\begin{aligned}T\,dS&=dH-V\,dP\\T_{\text{surr}}\,\Delta S&=mc_{\mathrm {p} }\,\delta T-V\,dp\end{aligned}}}$

Suponiendo una presión constante durante todo el proceso,

${\displaystyle T_{\text{surr}}\Delta S=c_{\mathrm {p} }\left(T_{\mathrm {b} '}-T_{\mathrm {c} }\right)}$

Reordenando la ecuación en términos de la temperatura de la superficie exterior de la pared interior del matraz de vacío,

${\displaystyle T_{\mathrm {b} '}=T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{\mathrm {p} }}}}$

Dónde

• T _surr es la temperatura del aire circundante
• Δ S es el cambio en la entropía específica del acero inoxidable
• c _p es la capacidad calorífica específica del acero inoxidable
• T _c es la temperatura del líquido contenido en el matraz
• T _{b ′} es la temperatura de la superficie exterior de la pared interior del matraz de vacío

Ahora considere la expresión general para la pérdida de calor debido a la radiación:

${\displaystyle Q'_{0}=A\varepsilon \sigma \left(T^{4}-T_{0}^{4}\right)}$

En el caso del matraz de vacío,

${\displaystyle Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(T_{\mathrm {b} '}^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)}$

Sustituyendo nuestra expresión anterior por T _{b ′} ,

${\displaystyle Q'_{0}=A_{\text{in}}\varepsilon _{\text{ss}}\sigma \left(\left(T_{c}+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S}{c_{p}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)}$

Dónde

• Q ′ ₀ es la tasa de transferencia de calor por radiación a través de la parte de vacío del matraz
• A _in es el área de la superficie exterior de la pared interior del matraz
• ε _ss es la emisividad del acero inoxidable
• σ es la constante de Stefan-Boltzmann

Suponiendo que la superficie exterior de la pared interior y la superficie interior de la pared exterior del matraz de vacío están recubiertas con plata pulida para minimizar la pérdida de calor debido a la radiación, podemos decir que la tasa de absorción de calor por la superficie interior del matraz exterior pared es igual a la capacidad de absorción de la plata pulida multiplicada por el calor irradiado por la superficie exterior de la pared interior,

${\displaystyle \alpha Q'_{0}=Q'_{\text{in}}}$

Para que se mantenga el equilibrio energético, la pérdida de calor a través de la superficie exterior de la pared exterior debe ser igual al calor absorbido por la superficie interior de la pared exterior.

${\displaystyle Q'_{\text{in}}=Q'_{\text{out}}}$

Dado que la capacidad de absorción de la plata pulida es la misma que su emisividad, podemos escribir

${\displaystyle Q'_{\text{out}}=\varepsilon _{\text{ss}}Q'_{0}}$

También debemos considerar la tasa de pérdida de calor a través de la tapa del matraz de vacío (asumiendo que está hecho de polipropileno, un plástico común) donde no hay vacío dentro del material. En esta área, están presentes los tres modos de transferencia de calor de conducción, convección y radiación. Por lo tanto, la tasa de pérdida de calor a través de la tapa es,

${\displaystyle {\begin{aligned}Q'_{\text{lid}}&=Q'_{\text{cond}}+Q'_{\text{conv}}+Q'_{\text{rad}}\\&=kA_{\text{lid}}\left({\frac {T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}}{\Delta x}}\right)+hA_{\text{lid}}\left(T_{\mathrm {b} }-T_{\text{surr}}\right)+A_{\text{lid}}\varepsilon _{\text{pp}}\sigma \left(\left(T_{\mathrm {c} }+{\frac {T_{\text{surr}}\Delta S_{\text{pp}}}{c_{\mathrm {p} }^{\text{pp}}}}\right)^{4}-T_{\text{surr}}^{4}\right)\end{aligned}}}$

Dónde

• k es la conductividad térmica del aire
• h es el coeficiente de transferencia de calor por convección del aire libre
• ε _pp es la emisividad del polipropileno
• Una _tapa es el área de la superficie exterior de la tapa.
• C^pp
  _p es la capacidad calorífica específica del polipropileno
• Δ S _pp es la entropía específica del polipropileno
• Δ x es la distancia sobre la que tiene lugar la conducción a través del gradiente de temperatura

Ahora tenemos una expresión para la tasa total de pérdida de calor, que es la suma de la tasa de pérdida de calor a través de las paredes del matraz de vacío y la tasa de pérdida de calor a través de la tapa,

${\displaystyle Q'_{\text{total}}=Q'_{\text{out}}+Q'_{\text{lid}}}$

donde sustituimos cada una de las expresiones de cada componente en la ecuación.

La tasa de generación de entropía de este proceso también se puede calcular, partiendo del balance de entropía:

${\displaystyle \Delta S_{\text{system}}=S_{\text{in}}-S_{\text{out}}+S_{\text{gen}}}$

Escrito en forma de tasa,

${\displaystyle \Delta S'_{\text{system}}=S'_{\text{in}}-S'_{\text{out}}+S'_{\text{gen}}}$

Suponiendo un proceso de estado estacionario,

${\displaystyle {\begin{aligned}-\int {\frac {1}{T_{\text{surr}}}}\,dQ'+S'_{\text{gen}}&=0\\\Rightarrow S'_{\text{gen}}&={\frac {Q'_{2}-Q'_{1}}{T_{\text{surr}}}}\end{aligned}}}$

Dado que no se agrega calor al sistema,

${\displaystyle S'_{\text{gen}}={\frac {Q'_{\text{total}}}{T_{\text{surr}}}}}$

Ver también

• Sello hermético
• Parasol (JWST) (Las capas de su escudo térmico utilizan una barrera de vacío para proporcionar aislamiento).
• Vaso Tervis

Referencias

1. Soulen, Robert (marzo de 1996). "James Dewar, su matraz y otros logros". Física hoy . 49 (3): 32–37. Código Bibliográfico : 1996PhT .... 49c..32S . doi : 10.1063 / 1.881490 .
2. "Nuestra historia" . Termo. 2011 . Consultado el 31 de marzo de 2013 .
3. "James Dewar, el hombre que inventó el termo" . Historia de la BBC. 2 de abril de 2013. Archivado desde el original el 4 de mayo de 2014.
4. Frank AJL James. "Dewar, James - QUÍMICO Y FÍSICO BRITÁNICO" . Advameg, Inc . Consultado el 30 de diciembre de 2010 .
5. "¿El termo se ha convertido en una marca comercial genérica?" . genericides.org . Consultado el 28 de enero de 2021 .
6. "Historia de la criogenia: un recurso de Cryo Central de la CSA" . Cryogenicsociety.org. 2008-04-18 . Consultado el 29 de noviembre de 2012 .
7. Cortright, Edgar. "Expediciones Apolo a la Luna". Publicaciones oficiales de la NASA. 1975.
8. Haynes, John; Scott, Jesse (1948). "Un método para platear un matraz Dewar para experimentos ópticos". Ciencia . 107 (2777): 301. Bibcode : 1948Sci ... 107..301H . doi : 10.1126 / science.107.2777.301 . PMID 17791184 . 
9. Elliot, Willard (1970). "Un matraz espectrofotométrico de Dewar con escudo de luz integral" . Informes de salud pública . 85 (3): 276–279. doi : 10.2307 / 4593845 . JSTOR 4593845 . PMC 2031665 . PMID 4984895 .   
10. Stinson, Liz (18 de junio de 2013). "Este refrigerador revolucionario podría salvar millones de vidas" . CON CABLE .
11. "El dispositivo respaldado por Gates extiende la cadena de frío a las zonas rurales" . FierceVaccines .
12. Murhekar MV, Dutta S, Kapoor AN, Bitragunta S, Dodum R, Ghosh P, Swamy KK, Mukhopadhyay K, Ningombam S, Parmar K, Ravishankar D, Singh B, Singh V, Sisodiya R, Subramanian R, Takum T (2013 ). "Exposición frecuente a temperaturas subóptimas en el sistema de cadena de frío de la vacuna en la India: resultados del control de la temperatura en 10 estados" . Boletín de la Organización Mundial de la Salud . 91 (12): 906-13. doi : 10.2471 / BLT.13.119974 . PMC 3845272 . PMID 24347729 .  
13. Samant Y, Lanjewar H, Parker D, Bloque L, Tomar GS, Stein B (2007). "Evaluación de la cadena de frío para la vacuna oral contra la poliomielitis en un distrito rural de la India" . Informes de salud pública . 122 (1): 112–21. doi : 10.1177 / 003335490712200116 . PMC 1802111 . PMID 17236617 .  
14. "Arktek recibió el estado de PQS precalificado por la OMS" (Comunicado de prensa). ARKTEK. 2015-04-26.
15. "Gestión térmica de sensores de registro de petróleo y gas de fondo de pozo para aplicaciones HTHP utilizando materiales nanoporosos" . ResearchGate . Consultado el 11 de febrero de 2021 .
16. Baird, Tom y col. "Registro, disparos y pruebas de pozos de alta presión y alta temperatura". Oilfield Review 5.2 / 3 (1993): 15-32.
17. "Libro electrónico de termodinámica: relaciones TdS " .

Lectura adicional

• Burger, R., Patente de Estados Unidos 872,795 , "Recipiente de doble pared con un espacio para un vacío entre las paredes" , 3 de diciembre de 1907.
• Sella, Andrea (agosto de 2008). "Matraz de Dewar" . Mundo de la química : 75 . Consultado el 30 de agosto de 2008 .

Enlaces externos

• Medios relacionados con los frascos al vacío en Wikimedia Commons