Para mantener una taza caliente, ¿debe sostenerla en las palmas de las manos o ponerla sobre la mesa?

Para mantener una taza caliente, se deben minimizar las pérdidas de calor por conducción, convección y radiación. La forma más sencilla de hacer esto es sujetarlo con las palmas y cubrir la parte superior.

El mes es enero y el invierno está en pleno apogeo. Afuera está nevando, pero tienes que llegar a la oficina. Llegas a la oficina en una mañana nevada. Tus manos están heladas y tomas una taza de café caliente para combatir el frío. Sosteniendo la taza en sus palmas heladas, sus manos se calientan lentamente y se vuelven cómodas nuevamente. Luego notas que la taza se ha enfriado y te preguntas si poner la taza sobre la mesa la hubiera mantenido más caliente.

Pero, ¿el café se habría mantenido más caliente si se hubiera puesto sobre la mesa? ¿Y por qué la copa se enfrió en tus palmas de todos modos?

Un objeto caliente pierde calor hasta que alcanza un estado de equilibrio térmico con el entorno. (Crédito de la foto: veinte20)

La respuesta a las preguntas anteriores la da la termodinámica.

Energía térmica y flujo de calor

La termodinámica (térmica + dinámica) es una rama de la ciencia que estudia la interacción de la energía térmica con la materia circundante. La sensación de calor o frío es una medida de la energía cinética (energía debida al movimiento) de las moléculas que constituyen ese objeto. Si algo se percibe como caliente (temperatura más alta), entonces las moléculas de ese objeto poseen mayor energía cinética que un objeto que se percibe como frío (temperatura más baja).

Siempre que dos objetos a diferentes temperaturas (es decir, moléculas constituyentes que tienen diferentes energías cinéticas) se ponen en contacto entre sí, ocurre lo siguiente:

• El objeto a mayor temperatura (mayor energía cinética de las moléculas) pierde calor.
• El objeto a menor temperatura (menor energía cinética de las moléculas) gana calor.
• El flujo de calor del objeto a una temperatura más alta al objeto a una temperatura más baja ocurre siempre que exista una diferencia de temperatura. El flujo se detiene cuando ambos objetos alcanzan la misma temperatura. A esto se le llama “equilibrio térmico”.

Mecanismos de transferencia de calor

La transferencia de calor se produce de las siguientes formas.

1) Conducción: El flujo de energía entre dos objetos a diferentes temperaturas en contacto físico entre sí se llama conducción. La energía cinética se transfiere debido a la colisión de moléculas en la interfaz de ambos objetos sin entremezclar, por ejemplo, las palmas envueltas alrededor de la taza de café caliente.

Las moléculas de café que tienen alta energía cinética chocan con las paredes de la taza e imparten energía a sus moléculas. Luego, la pared transmite parte de esa energía cinética a las palmas. la

La tasa de transferencia de calor por unidad de tiempo (Q) viene dada por:

donde

A = Área de la superficie (pared de la taza) en contacto entre el objeto más caliente;

k = Conductividad térmica del medio (taza) a través del cual fluye el calor;

d = Espesor del medio (sección transversal de la copa) que conduce el calor;

= Temperatura del objeto más caliente (café);

= Temperatura del objeto más frío (Palmas);

La energía térmica viaja desde el extremo cercano a la llama hasta el extremo opuesto debido a la colisión de las moléculas de las varillas entre sí.

2) Convección: El flujo de energía de un fluido a una superficie debido al movimiento de un fluido a granel a lo largo de la superficie se llama convección. La transferencia de calor ocurre del fluido a la superficie, por ejemplo: El calor se siente en las palmas que se mantienen al lado de la taza de café caliente (las palmas no tocan la taza).

Las paredes de la taza obtienen energía por conducción del café. Luego, las paredes calientan el aire circundante por conducción. El aire caliente al lado de la pared se eleva y se mueve a lo largo de la superficie de las palmas cercanas, impartiendo energía. La tasa de transferencia de calor por unidad de tiempo (Q) viene dada por:

donde

h = coeficiente de transferencia de calor por convección;

A = Área de la superficie en contacto con el fluido;

= Temperatura del fluido en movimiento;

= Temperatura de la superficie;

El fluido caliente sube y el fluido frío desciende. El movimiento ascendente del fluido caliente imparte algo de energía al fluido frío de arriba.

3) Radiación: El flujo de energía en forma de ondas electromagnéticas sin la presencia de un medio físico se llama radiación. Si hay un medio presente, no se imparte energía a ese medio (a diferencia de la conducción y la convección).

Todos los objetos del universo irradian energía en forma de ondas electromagnéticas en el extremo infrarrojo del espectro EM. La copa también irradia ondas EM. La parte superior abierta implica la radiación directa del café. El fondo y los lados cerrados obtienen energía térmica por conducción del café y luego irradian algo de esa energía a los alrededores. La cantidad de energía térmica radiada por unidad (Q) de tiempo viene dada por:

donde

= Emisividad del objeto (da una idea de qué tan bueno es el emisor del objeto);

A = Área de la superficie radiante (parte superior abierta + área lateral de las paredes de la copa);

= Constante de Stefan

= Temperatura del radiador

= Temperatura del entorno

Imagen infrarroja de un radiador. El rojo-amarillo indica alta temperatura y el azul violeta indica baja temperatura (Crédito de la foto: Ivan Smuk / Shutterstock)

La respuesta

La taza de café en nuestro caso pierde calor a través de los tres mecanismos comentados anteriormente. La pregunta presenta los siguientes escenarios:

CASO 1: Taza mantenida sobre la mesa CASO 2: Copa en palmas La parte superior abierta (café) irradia calor al entorno, dado por mecanismo 3 La parte superior abierta (café) irradia calor al entorno, dado por mecanismo 3 La superficie inferior pierde calor por conducción a la mesa, dada por mecanismo 1 La superficie inferior irradia calor al entorno, dado por un mecanismo. 3 Los lados de la taza irradian calor a los alrededores, dado por un mecanismo 3 Los lados de la taza conducen el calor a las palmas, gobernado por un mecanismo 1

(NOTA: Dado que la convección es la transferencia de calor debido al movimiento masivo del fluido a lo largo de una superficie, no contribuye a los casos discutidos anteriormente. Si las palmas se mantuvieran al lado de la copa pero sin tocarla, entonces la convección habría contribuido. )

Cuando todas las variables permanecen sin cambios, la radiación es el modo más rápido de transferencia de calor (más rápido que la convección y la conducción) ya que ocurre a la velocidad de la luz (3

milisegundo).

De la discusión anterior es evidente que en CASO 1, máxima pérdida de radiación directamente de las paredes de café / taza. Esto da como resultado una pérdida de calor significativamente más rápida que en CASO 2.

Por lo tanto, para mantener la taza caliente, sosténgala entre sus palmas.

Puede mantenerse caliente durante más tiempo si la tapa superior está cerrada y la superficie inferior está cubierta para minimizar la pérdida de conducción. La creación de una capa de vacío alrededor de la taza se encargaría de la convección.

Además, dado que las ondas electromagnéticas obedecen a las leyes de la reflexión, mantenga una superficie altamente reflectante (espejo) alrededor de la copa más allá de la capa de vacío. La radiación que emana de la taza se reflejará nuevamente en la taza, manteniendo el café caliente durante horas. O puede ahorrar algo de tiempo y simplemente comprar un termo.