Охлаждение чашки кофе с помощью ложки

Я провел эксперимент. (Предварительные результаты показывают, что погружение может победить, хотя окончательный вывод неясен.)

• $\mathrm{H_2O}$ледяная ванна
• консервная банка
• термометр
• кастрюля с кипящей водой
• секундомер

Было четыре испытания, каждое длилось 10 минут. В консервную банку наливали кипяток, а ложку вынимали из ледяной бани и помещали в банку. Показания температуры снимались раз в минуту. После каждого испытания воду выливали обратно в кипящий котел, а ложку помещали обратно в баню со льдом.

 Method:                  Final Temp.
 1. No Spoon              151 F 
 2. Spoon in, no motion   149 F
 3. Spoon stirring        147 F
 4. Spoon dipping         143 F

Показания температуры имеют погрешность$\pm1\,\mathrm{^\circ F}$.

 Red   line:  no Spoon
 Green line:  Spoon in, no motion
 Aqua  line:  Stirring
 Blue  line:  Dipping

Drhodes провел эксперимент, получил данные и продемонстрировал, что моя гипотеза неверна. Это настоящая наука .

Натирание кофе блюдцем по-прежнему круто по-старому.

Предыдущая (опровергнутая) версия:

Перемешивание победит, несомненно, каждый раз.Вот почему физикам необходимо время от времени разговаривать с химиками. Как правильно замечает Георг, скрытая теплота парообразования воды огромна, но он ошибается, размахивая ложкой; перемешивание является чемпионом здесь. Почему? Температура на самом деле представляет собой среднюю кинетическую энергию молекул в объеме вещества, которые на самом деле имеют множество индивидуальных кинетических энергий. Перемешивание — это самый быстрый способ вывести молекулы воды с высокой кинетической энергией на поверхность, где они преодолеют механизмы электростатического связывания, удерживающие их в жидкой фазе, и выпрыгнут в воздух (парообразная фаза). Это быстрое уменьшение высокоэнергетических выбросов является самым быстрым способом охлаждения горячего водного раствора. Это похоже на перемешивание чая со льдом. Если вы просто бросите кубики льда в стакан с теплым чаем, потребуется некоторое время, чтобы более теплый чай остыл; если вы его энергично перемешаете, он достигнет холодного равновесия в течение нескольких секунд; скрытая теплота плавления, поглощаемая таянием льда, также огромна. Такого рода вещи имеют множество применений в лабораторных и промышленных химических процессах, поверхностном катализе, крекинге нефти и прочем. Вы многое узнаете об этом на третьем курсе университетской физической химии, и действительно должны освоить ее до или во время дипломной работы в качестве химика.

Если вам нужен еще более быстрый способ охладить чашку кофе, вот совет от моего дедушки Паркера: забудьте о ложке и блюдце для кофе . Другими словами, перелейте его верхнюю часть из чашки в блюдце, а затем несколько раз обратно. Большая и постоянно меняющаяся площадь поверхности во время этого процесса приведет к чрезвычайно быстрому испарению этих высокоэнергетических выбросов, намного быстрее, чем перемешивание. Блюдца были очень распространены во время Великой депрессии, что является одной из причин, по которой старые кофейные сервизы всегда включали блюдца. Вы также получаете глубокие блюдца во многих ресторанах как пережиток этой практики, хотя я сомневаюсь, что многие люди делают это сейчас.

Самый быстрый и крутой способ охладить кофе, используя только чашку и ложку, что также теоретически возможно, — это подбросить весь кофе в воздух и несколько хорошо скоординированным движением поймать его весь в чашке, когда он падает. вниз. Это максимизирует общую площадь поверхности кофе с воздухом за раз и, следовательно, общую теплопередачу.

Ну, а если вам разрешено пользоваться только ложкой, то самый быстрый способ остудить кофе для питья — это взять ложку, подуть на нее, выпить с ложки, взять следующую ложку. Конвекция творит чудеса.

Если вам разрешено блюдце вместо ложки, налейте в блюдце немного кофе, подуйте на него и выпейте.

По отношению к содержимому чаши все Твои препятствия с ложкой не имеют значения. Охлаждение горячего кофе достигается за счет испарения воды. При температурах от 100 до, скажем, 50 °C давление пара настолько велико, что тепло, уносимое конвекцией горячего (и гораздо менее плотного, чем воздух!) пара, доминирует над всеми другими механизмами теплопередачи. (теплота парообразования около 540 кал/г!)

Итак, поскольку вы не «разрешаете/принимаете» дуновение на поверхность кофе, второй лучший способ — это помахать ложкой по поверхности. Выдувание/размахивание улучшит испарение благодаря быстрой замене пара над поверхностью свежим, прохладным и сухим воздухом.

С помощью ложки поднимите немного кофе в воздух и дайте ему вылиться обратно в чашку. Хороший долгий медленный налив идеален (как можно выше без разбрызгивания).

Движение воды через воздух быстрее охлаждает его.

Чем больше ложка, тем быстрее она работает.

В реальном мире, чтобы быстро охладить кофе, возьмите вторую чашку и перелейте из одной в другую (опять же, как можно выше). Трех глотков должно быть достаточно, чтобы напиток из обжигающе-горячего стал пригодным для питья.

Ответ может немного зависеть от влажности в помещении (поскольку это будет определять скорость испарительного охлаждения), но в основном лучше всего увеличить площадь поверхности вашего кофе и увеличить скорость воздушного потока над кофе. насколько это возможно (чтобы локальный градиент парциального давления водяного пара был как можно более крутым). Я подозреваю, что лучше всего будет набирать кофе ложками и выливать их обратно в чашку с такой высоты, с которой вы можете справиться, не разбрызгивая кофе повсюду — поток падающей жидкости имеет высокое отношение поверхности к объему. и едет быстро.

Самый быстрый способ охладить кофе (или горячий шоколад, поскольку я, скорее всего, пью), который я обнаружил, когда у меня нет блюдца или второй чашки, — это вообще игнорировать ложку.

Без блюдца, ложки или выдувания я сначала кладу руки вокруг контейнера без какого-либо изолирующего устройства и позволяю рукам поглощать столько тепла, сколько они могут выдержать. Затем я двигаю руками к столу, чтобы передать тепло столу. Затем я повторяю закупоривание чашки и перенос на стол по мере необходимости. В течение 1-2 минут я могу довести чашку с температурой более 200 градусов до приятного для питья уровня.

Этот метод заключается в передаче тепла из контейнера в окружающую среду и имеет удобное вторичное преимущество, состоящее в том, что вы очень быстро согреваете руки (и остальную часть тела), пока ждете, пока ваш напиток остынет. Совместите это со взмахом чашки, чтобы снизить общую температуру кофе (не только по бокам), а также с обдувом поверхности (если позволите схитрить), и чашка остынет еще быстрее.

Лучше всего это работает со стеклянными или металлическими столами, но и деревянные столы тоже подойдут.

Предварительно охладите ложку (в морозилке или кухонном термосе с жидким азотом :) и положите в чашку. Периодически повторяйте процесс с новыми ложками. Используйте серебряную ложку (некоторые из нас родились с такой во рту).

Примечание: если вы позволяете кому-то брать ложку и вынимать кофе, вопрос дает слишком большую свободу действий — в границах вопроса нет ничего, что исключало бы охлаждение ложки и тогда — следовательно, мой ответ, который был ироничным, а не серьезным, для тех, кто затрудняется определить разницу...

На жидкой стороне также имеется значительный пограничный слой, похожий на микрослой на поверхности моря.

Организация поверхности воды препятствует диффузии газов. Например, неперемешиваемой (~5 мл) ячейке оксиметра потребуется около 10 минут для уравновешивания с атмосферным кислородом, в то время как уравновешенная ячейка с перемешиванием уравновесится менее чем за минуту.

Поверхностная пена или монослой жировых молекул, которые могут быть образованы кофейными маслами или сливками, вероятно, имеет изолирующее значение. Перемешивание сведет к минимуму это, нарушив структуру.

Переместите чашку. Один из основных способов охладить что-либо — сделать так, чтобы горячие частицы, поднявшиеся с поверхности напитка, не упали на него снова.

Странный вопрос :)

Я бы сказал, используйте комнатную температуру, поднимите кофе с помощью скоро и несколько раз бросьте его обратно в чашку, это заставит часть кофе соприкасаться с холодной комнатой, следовательно, становится холоднее и смешивается с горячим, снижая температуру. общая температура.

У меня (очевидно??) нет математических/физических знаний о том, насколько эффективной может быть эта техника, и, кроме того, я пью кофе настолько горячим, насколько могу ;P

Удачи!

Я размешиваю кофе из стороны в сторону, при этом чаша-ложка должна быть параллельна краю чашки. Благодаря принципу угла Бернулли кофе перемещается через центр чашки вверх. Это обеспечивает циркуляцию жидкости намного быстрее, чем вы ожидаете, контролируемым образом, что позволяет избежать разбрызгивания, которое может вызвать сильное перемешивание. У этого также есть побочный эффект удаления сухих сливок из чаши ложки намного эффективнее, чем любое другое возможное движение. Плавно и без кавитационных зазоров жидкость, поднимаясь из центра и оттесняясь сверху в стороны, вызывает перемешивание. Жидкость также лучше проводит по бокам и отдает тепло как за счет образующейся вверху волны, увеличивая площадь контакта поверхности с воздухом, так и отдавая тепло корпусу чашки/радиатора тепла. Вообще-то я так размешиваю. Он намного лучше очищает ложку и требует меньше усилий. Кроме того, вышеизложенное является просто случайным выводом.

Оставляя ложку неподвижной в кофе, вы только выигрываете от теплопроводности и рассеивания тепла ложки.

Перемешивая кофе, вы не только помогаете поддерживать контакт самых горячих частей кофе с воздухом и чашкой, увеличиваете площадь поверхности, создавая аномалии на верхней поверхности, и помогаете перемещать теплый влажный воздух по поверхности кофе. , но вы также получаете все преимущества теплопроводности и рассеивания тепла ложки.

Погружая ложку несколько раз, вы не только вводите воздух в жидкость, которая захватывает много тепла и уносится прочь, как только попадает на поверхность, но также получаете все преимущества теплопроводности и рассеивания тепла. ложка и все преимущества перемешивания кофе.

Игнорируя тот факт, что вы, вероятно, расплещите кофе и наведете беспорядок на прилавок, правильный ответ — постоянно макать ложку. Кроме того, вы и ваши коллеги — кретины!

Перемешайте кофе ложкой и вдуйте воздух в чашку ртом. Каждые несколько секунд меняйте направление перемешивания (по часовой стрелке на против часовой стрелки и наоборот). Это должно охладить его быстрее, чем просто перемешивание кофе ложкой.

Недавно я сделал немного другой тест, также проверяя температуру в чашке кофе:

Где:

• Зеленая зона — это то место, где, как мне кажется, температура кофе пригодна для питья.
• Фиолетовый не охлаждает. Это просто показывает чашку кофе с ложкой, стоящую при комнатной температуре.
• Апельсин дует на кофе. Да, я сделал это за 20 минут (иди физика).
• Красный — поднимать ложку, аналогично «повторно вставлять и вынимать ложку», но я поднимаю немного кофе и также опускаю его в чашку (около 5 см падения).
• Синий помешивает кофе ложкой.

Тест был сделан с использованием Arduino для сохранения температуры каждые 2 секунды.

Результаты показывают, что выдувание происходит намного быстрее! Выдувание происходит быстрее, потому что вы выдуваете влажный и горячий воздух прямо над чашкой. Затем вы заменяете его холодным и сухим воздухом. Старое равновесие сформируется снова, что приведет к гораздо большему испарительному охлаждению.

Использование блюдца или кубиков льда еще быстрее, но мой тест был сосредоточен на лучшем, что вы можете сделать, сидя в кафе.

Я сделал это для этого видео , где я объясняю больше о настройке и результатах.

Используйте большую и толстую медную ложку.

1. Опустите ложку в кофе на 3 секунды.
2. Удалите его и вставьте ложку в рот. (будьте осторожны, будет жарко)
3. Используйте язык и нёбо, чтобы охладить сильное нажатие ложки. Когда ложка станет близка к температуре вашего рта (почувствует себя прохладной), выньте ее и снова вставьте ложку в кофе еще на 3 секунды плюс 0,5, умноженные на то, сколько раз вы вставляли ложку.
4. Повторяйте, пока ложка не приобретет нужную температуру.
5. Пить кофе. (но не делитесь этим, это вредно для здоровья)

Ответов и даже экспериментальных данных много, а математической модели нет. Я восполню этот пробел, добавлю несколько моделей, объясняющих экспериментальные данные. Простейшей моделью является ламинарная конвекция, описывающая передачу тепла от кофе окружающему воздуху. Эта модель описывает охлаждение кофе без ложки и без выдувания. Здесь предполагается, что тепло отводится сверху и через боковые стенки, а снизу утепляется. На рис. 1 показаны линии течения конвективных токов (вверху слева) и изменения температуры во времени в объеме (справа) и в трех точках.$1 - (0.5,0.5),2 - (0.5,0), 3-(0.25,0)$(Нижний правый). На рис. 2 показаны те же параметры при наличии вдува. Сравнивая данные рис. 1 и 2 мы видим, что поток воздуха сокращает время охлаждения до приемлемой температуры на дне чашки (но не в центре). Вот почему нам все еще нужна ложка, чтобы смешивать горячую и холодную жидкость.

Если вы крепко держите ложку и двигаете ее вперед и назад перпендикулярно поверхности ложки с определенной скоростью, вы вызовете стабильную кавитацию и сильную турбулентность, которая не выплескивается из чашки. Я делаю это все время, когда растворяю сахар в охлаждающей жидкости, но с практикой я думаю, что это может охладить кофе быстрее. Может быть вторым после техники ложка-подъем-налив.

Тепло переходит в более прохладное состояние; холод не перетекает в более теплое состояние. «Скорость» охлаждения зависит от разницы между температурой кофе и окружающей температуры окружающей среды. То есть очень горячая чашка кофе остынет «быстрее», чем просто теплая чашка кофе. Когда очень горячая чашка кофе начнет приближаться к комнатной температуре, скорость охлаждения также замедлится. Простое прикосновение ложки к кубику льда позволит «теплу» быстрее проникнуть в кубик льда. Однако добавление кубика льда может нарушить параметры эксперимента. Оставив ложку при комнатной температуре, вы сможете узнать температуру кофе. Она будет такой же, как комнатная температура --- не холоднее.

Если единственным прибором является чашка с горячим кофе и (металлическая) ложка, лучший способ охладить кофе — это перемешивать кофе «хаотично», а не круговыми движениями . Причины следующие:

• Выбор металлической ложки: металлическая ложка имеет более низкую температуру, чем кофе, и действует как теплоотвод, так что тепло передается от кофе к ложке.
• Перемешивание кофе: Перемешивание увеличивает площадь поверхности кофе, соприкасающейся с атмосферой, и за счет конвекции тепловые потоки поднимаются к поверхности и охлаждаются из-за разницы температур между атмосферой и кофе.
• Перемешивание «случайным» образом: если перемешивание производится по кругу, то примерно каждая порция кофе движется по круговой схеме, а части, которые начинаются под поверхностью, остаются под поверхностью. Но, если перемешивание будет случайным, то у любой порции кофе больше шансов переместиться в поверхностный слой. Кроме того, коэффициент теплопередачи зависит от числа Рейнольдса; больше турбулентность, больше число Рейнольдса и больше теплопередача. Таким образом, случайное перемешивание может увеличить турбулентность потока, что приведет к усилению теплопередачи между кофе и атмосферой.

NB: Кофе следует перемешивать случайным образом в определенных пределах, иначе кофе прольется, и в чашке не останется кофе для питья.

Движением ложки вы передаете энергию частицам и молекулам. Таким образом, молекулы увеличивают свою кинетическую энергию, и многие из них улетучиваются из чашки с чаем. Поэтому использование ложки для охлаждения чашки чая оправдано. !

Как насчет этого: перед тем, как положить кофе в чашку, налейте горячий кофе прямо на ложку, позволяя лишнему капать в кофейную чашку. Цель здесь состоит в том, чтобы заставить кофе течь вниз по течению на ложку, а затем в чашку на как можно большем расстоянии.

Чем больше расстояние между ложкой, чашкой и источником кофе, тем больше он может остыть от воздуха.

Вы можете почувствовать этот эффект, принимая душ. Если вы отрегулируете температуру воды и поднимете насадку для душа ближе и дальше от тела, вы почувствуете изменение температуры по мере того, как она проходит через воздух.

Согласно самому быстрому способу, было бы держать плоскую прямоугольную толстую полоску в кофе с кубиком льда на другом конце, тепло будет течь за счет теплопроводности. И поскольку разница температур между ними велика, много тепловой энергии будет поглощаться кубиком льда, чтобы таять (возможно, лучше взять более холодный объект).

Это тепло вычитается из вашего кофе и охлаждается. Я думаю, что это очень похоже на бросание кубиков льда в кофе, только не разбавляя кофе.