Termodinámica: hay tres tazas con forma idéntica llenas de café caliente: una de metal, otra de cerámica y la tercera de vidrio. ¿Cuál de las tazas se enfriará más rápido y por qué?

Analicemos la pérdida de calor por cada uno de los modos de transferencia:

1. Conducción: la conductividad térmica depende en gran medida de las propiedades del material. Los metales puros son muy buenos conductores de calor debido a la presencia de electrones libres. La aleación de metales con impurezas reducirá la conductividad térmica porque las impurezas actuarán como centros de dispersión que disminuirán el movimiento de los electrones. Por lo tanto, el café caliente contenido en una taza de acero al carbono se enfriará más rápido que el café contenido en una taza de acero inoxidable. A continuación, en vidrio y cerámica (cerámica cristalina y amorfa), la estructura atómica es altamente desordenada e irregular. La conducción tiene lugar debido a las vibraciones de la red: mayor es la irregularidad de la red, más vibración y, por lo tanto, más eficiente la transferencia de calor. Sin embargo, la eficiencia de la transferencia de calor debido a los electrones libres (como en los metales puros) es mucho mayor que la debida a las vibraciones reticulares (como en las sustancias amorfas y cristalinas). Por lo tanto, la conductividad térmica del acero (~ 16 W / mK) es mucho mayor que la del vidrio (~ 0.8 W / mK) o la cerámica (~ 1.5 W / mK). Además, las tazas de cerámica están hechas para tener poros que reducen aún más la conductividad térmica. Por lo tanto, la pérdida de calor se produce en el siguiente orden por modo de conducción: Metal (acero)> Vidrio> Cerámica

2. Convección: el único fluido que está directamente en contacto con el café es el aire sobre el recipiente. Teniendo en cuenta que la geometría de la taza y el volumen de café contenido es el mismo en los tres casos, ninguno de ellos pierde calor más rápido que el otro. Además, el aire alrededor del contenedor está en un portador indirecto de calor. Debido a la estructura atómica / reticular, el acero tiene un calor específico más bajo (~ 500 J / Kg.K) en comparación con el vidrio (~ 800 J / kg.K) o la cerámica (~ 900 J / kg.K). Debido a esta superficie de acero se calentará más rápido en comparación con la superficie de vidrio o cerámica. Por lo tanto, la pérdida de calor debido a la convección del aire alrededor de las copas tendrá lugar en el siguiente orden: Metal (acero)> Vidrio> Cerámica

3. Radiación: el café mismo perderá el mismo calor por radiación en los tres casos, suponiendo que la geometría del café en la taza y el volumen / masa sean los mismos. A continuación, los tres recipientes, una vez que se calientan lo suficiente, también perderán calor por radiación, pero a diferentes velocidades. Contra la creencia popular, todos los metales son malos radiadores de calor en comparación con los no metales. El acero tiene una emisividad de solo 0.1; lo que significa que solo puede irradiar un 10% de energía en comparación con un cuerpo negro que irradia un 100% de energía. La cerámica y el vidrio, por otro lado, tienen emisividades de 0.9, es decir, irradian el 90% de la energía en comparación con un cuerpo negro. Por lo tanto, la pérdida de calor debido a la radiación tendrá lugar en el siguiente orden: Cerámica = Vidrio> Metal (Acero)

4. Otro aspecto práctico importante: el análisis anterior se realizó considerando que las tres copas tienen el mismo volumen de material y geometría. Sin embargo, en la práctica, las copas de acero inoxidable se fabrican mediante un proceso de estampado que alinea aún más los electrones libres y hace que la copa sea mucho más delgada (~ 2 mm) en comparación con el vidrio o la cerámica; Mejora aún más la pérdida de calor por conducción. Debido a la naturaleza amorfa del vidrio, se expande de manera no uniforme y en diferentes direcciones. Por lo tanto, una taza de vidrio para contener bebidas calientes tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo para evitar el agrietamiento debido al choque térmico. Por lo tanto, el grosor periférico de todas estas copas es suficiente: no demasiado grueso ni demasiado delgado, lo que aumenta la pérdida de calor por convección y radiación.

Entonces, finalmente, si consideramos la consideración práctica, el café debería enfriarse en el siguiente orden:

Metal (Acero)> Vidrio> Cerámica

La respuesta depende de la cerámica que elija. La mayoría de las cerámicas tienen baja conductividad térmica a temperatura ambiente, pero hay cerámicas que tienen muy alta conductividad térmica.

La conductividad térmica de varios materiales se puede ver a través de este enlace.
Lista de conductividades térmicas.
Los metales tienen la conductividad térmica más alta en general. La cerámica sigue a los metales y luego viene el vidrio.

La transferencia de calor del café al aire es por convección, que permanece constante en los tres casos.

Ahora yendo cuál se enfría más rápido, la copa de metal se enfría más rápido. Esto se debe a que el calor del café se conduce a la periferia exterior de la taza muy rápido. Debido a esto, la temperatura de la taza es casi la misma que la temperatura del café que contiene. El calor se transfiere por convección al aire desde las paredes de la taza. Las paredes de metal de la taza también irradian calor. En el caso de los metales, los tres modos de transferencia de calor juegan un papel predominante. Entonces la copa de metal se enfría más rápido

Al llegar a la cerámica a temperatura ambiente, la mayoría de ellos son aislantes y poseen conductividades térmicas que oscilan entre 3 y 60 W / mK. El calor conducido a la pared exterior es menor que el calor conducido a la pared en el caso de una copa de metal. La pérdida de calor por radiación es menor que la del metal, ya que la radiación es directamente proporcional a la temperatura elevada a la potencia 4.
Debido a la baja conductividad térmica, la temperatura de la pared exterior es considerablemente menor que la de la copa de metal, lo que implica una menor pérdida de calor por radiación. Además, la pérdida de calor por convección es baja ya que el gradiente de temperatura es bajo.

En el caso de la taza de vidrio, la pared exterior de la taza está más fría que la de la taza de cerámica. El flujo de calor hacia la periferia también es bajo, ya que la conductividad térmica del vidrio también es menor que la de la cerámica.
Esto implica que la copa de vidrio tiene las menores pérdidas por convección y radiación de la copa.

Pero ella es un punto digno de mención. En el caso de una taza de vidrio, la radiación emitida por el café en la taza se mueve fuera de la taza en todas las direcciones, a diferencia de la superficie superior en cerámica y metales. Esto se debe a la transparencia óptica del vidrio.
El aumento en la pérdida de calor por radiación en el caso del vidrio no es tan significativo ya que el gradiente de temperatura es bajo.

La copa de metal se enfría primero seguida de cerámica seguida de vidrio.

entre tres modos de transferencia de calor solo la conducción se ve afectada entre tres casos. La respuesta a la conducción de la primera parte dependerá de la propiedad del material. generalmente los metales son buenos conductores del calor, por lo que se enfría más rápido. Entre las tasas relativas de enfriamiento, la radiación siempre estará en el lado más alto, luego viene la convección y luego la página en la conducción. Es así porque en la transferencia de calor es proporcional a la potencia de temperatura 4 en la página en la radiación. La convección tuvo lugar alrededor de toda la circunferencia. desde arriba es más alto ya que el aire está en contacto directo con el café.

La radiación a través del aire dependerá del área de la superficie, que en este caso es idéntica para los tres. La convección que esencialmente ocurriría en el núcleo del café al borde del café, será nuevamente idéntica porque el café vertido sería idéntico para este experimento controlado.

La conducción será la verdadera razón detrás de las modificaciones en la pérdida de calor y tendrá un control indirecto sobre la pérdida por radiación.

Tenga en cuenta para todos los cálculos futuros que necesita decirnos qué metal es, vidrio o tipo de cerámica para dar la diferencia en función de un factor, principalmente la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura del café.

Pero por experiencia, el metal lideraría la velocidad de conducción, seguido de cerca por la cerámica y, finalmente, por el vidrio. La mejor manera de ilustrar fácilmente es que las tazas de café son generalmente de cerámica en países fríos y de vidrio en climas moderados y rara vez de metal, pero luego en las cárceles tienes las de latón.

los metales son buenos conductores del calor, entonces esa será la respuesta

¿Es el metal de doble pared, es decir, un espacio de aire adentro?

Prefiero el enfoque pragmático de simplemente poner una tapa en la taza si se enfría demasiado rápido 🙂