探究保温杯的保温原理与其材料对保温效果的影响

C100巴蜀中学

张恩瑞

一、探究背景与目的：

  前些天，我与表妹逛超市，路过一个卖保温杯的柜子，便一人买了一个保温杯。回到家后，我发现两个杯子有些不同，从外胆看我的是不锈钢，而她的是陶瓷，从内胆看我的是不锈钢，而表妹的是玻璃。于是我心想：这些材料的不同到底影响着什么，而保温杯的保温原理又是怎样的呢？

所以本次研究的目的为：①通过理论分析知道保温杯的保温原理

                      ②都过实验，探究不同材料保温杯的保温效果的差异

二、实验设计思想：

拆卸不同保温杯，观察其内部结构的异同，再通过网络及书籍查知热量传递的三种方式、阻止热量散失的方法及保温杯的保温原理。最后通过实验的方法探究不同保温材料的保温效果，从而分析市面上保温杯的材料组成合理性。

三、实验工具：

    一个玻璃保温杯、一个不锈钢保温杯、一个陶瓷保温杯、一个塑料保温杯、足够多的水、热水壶、四支实验温度计、计时表

四、探究步骤：

首先从保温杯的结构入手，将一个旧的保温杯剖开，发现保温杯是由两层保温材料，中间夹着一层真空胆，有的真空胆也会被一些泡沫所代替。有些保温杯的杯底可能会含有一些磁铁将水磁化，保温杯的杯盖大多是一些塑料做的，保温杯的盖子下面几乎都有一圈硅胶圈，防止水的外溢。

分析完结构之后，对于保温杯的保温原理我猜想可能：保温杯首先要通过阻止热量直接通过杯口缝隙散失而进行保温，其次保温杯要通过阻止热量从瓶身散失而进行保温。

在观察了保温杯的结构后，我发现无论保温的材质怎么变化，还是保温杯的杯盖形状如何变化，杯盖上的橡胶圈与那层真空胆无论怎么都是不变的。于是我决定先从保温杯的橡胶圈开始入手，通过查阅书籍，我发现橡胶的塑性非常好，能够将一些细小的缝隙都填补好，可以做到几乎密封，热量要从杯口散失几乎是很少的，因此橡胶圈就做好了杯口的保温工作。而杯身的真空胆有何作用呢？首先我想到了保温杯的整体作用是保温，不让热量散发，想到这里基本可以判断真空层的基本作用就是锁住热量，减缓热量的散发，但它是如何将热量“锁住”的呢？经网络查阅我得知热量传递的三种基本方式：⑴传导⑵对流⑶热辐射。首先分析一下传导，传导的定义是热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分。在它的定义中含有“沿着物体”，可知传导需要介质；然后是对流，其定义是：流体内部由于湿度不同造成的相对流动，其中通过“流体内部”可知“对流”也需要介质参与，所以说“传导”“对流”这两种热传递方式在保温杯中，可以穿透内胆，但在真空层中由于几乎没有介质，就会阻断这两种传递方式。而第三种传递方式“热辐射”，它是属于电磁波的一种，其传递不需要介质，而光也属于电磁波的一种，光能够在真空中传播，所以热辐射也能在真空环境下中传递热量，想到这里我就不明白了，既然有热辐射将热量传递出，那保温杯不是就没有起到保温的效果了？我发现热辐射像光一样也会发生反射现象，我通过观察我的杯子，发现内外胆在同等光源的照射下，内胆比外胆更亮，而且一些还有多出一些银白色的光。我继续看书，才明白这种能够使热辐射出现反射现象的物质就是银，这也就是为什么内胆比外胆更亮的原因了，这样就可以将热辐射带出的热量在重新反射回杯子的内胆内，进而起到保温效果。

知道了保温杯的保温原理后，我还想探究对于不同材料做成的保温杯保温效果有差异么？如果有，哪种材料的保温性能更好呢？我想通过一个实验来探究原因。首先我选择了不同材料做成但大小形状几乎相同的四个杯子置于同一环境下，将热水壶烧开的开水分别倒入四个杯中并立马盖上盖子。每隔2分钟测量一次杯子的热水温度，记录如下：（注：在开盖测量温度时所散失的热量忽略不计）

时间 温度℃	2min	4min	6min	8min	10min
陶瓷	88	84.8	81.4	78.5	75.3
玻璃	87.2	83.2	80.6	77.5	74.2
不锈钢	84.7	81.2	78.1	74.6	71.9
塑料	83.7	80.2	75.8	71.1	67.6

五、实验结果与讨论

    由实验数据可以得出在水的初始温度、放置时间相同的情况下，陶瓷的保温效果是最好的，可以长效保持水的温度恒定。玻璃与陶瓷相比较略逊一筹。不锈钢的保温效果不佳，塑料的保温效果是最差的。

    实验中我还发现，在往保温杯中灌水时，杯身是冰冷的，但摸一下盖子却会发现杯盖十分滚烫的，我想既然杯身是用不锈钢做的，并且起到了很好的保温效果，那可不可以将瓶盖也用不锈钢呢？我拿来一个与这个塑料瓶盖完全等大，且适合瓶身的不锈钢盖子在2个相同的保温杯上做实验，发现在同样的水温下，都放了3小时后，不锈钢盖子中的水温远远低于塑料盖中的水温，我想难道是我的实验错了，我连忙翻看书籍，发现不锈钢的散热效果才是其优点，它的保温效果很差，那我不经纳闷：那为什么杯身要用保温效果很差的不锈钢呢？这是我的思路回到了第一步，决定从结构入手，保温杯的内外胆都是不锈钢，中间加了一层真空胆，我的思路留在了真空上，如果中间是真空，，这样的话这中间的气压就会是远远小于内胆内，外胆外的气压了，那么这两边的空气就会向中间挤，那怎么这保温杯不会被挤扁呢？想到这里我就明白了，之所以要用保温效果很差的不锈钢，是因为不锈钢的刚度与硬度都很强，可以抵抗巨大的空气压强，而同时也不会被空气腐蚀生锈，并且由于在内胆的外壁上涂上了银也不会使过多的热量传递出，从而达到最好的保温效果与最美的外观。

所以综上所述，实际生活中的保温杯很少全部用陶瓷做成，分析原因，我认为可能是因为陶瓷易碎，不如不锈钢坚硬耐摔。且玻璃制保温杯也是复合的有机玻璃制成，其坚硬度也很大。市面上的保温杯采取玻璃和不锈钢结合，或不锈钢与陶瓷结合的生产方式很合理，也利于保温。

六、交流与建议：

通过探究保温杯的保温原理与其材料对保温效果的影响，我建议在实验探索中的第③步中简单提到的关于杯盖的保温效果欠佳，我提议可以将杯身的保温结构及其原理运用到杯盖上，这样就可以让保温的保温效果进一度提升，延长保温时间。

评委点评：作者以中学常见的探讨来论证了材料与保温效果的关系，提出创新建议，合情合理，实例支持观点，行文通顺。