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)
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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