カップを保温するには、手で持つべきですか、それともテーブルの上に置くべきですか?

カップを保温するには、伝導、対流、放射による熱損失を最小限に抑える必要があります。これを行う最も簡単な方法は、手に持って上部を覆うことです。

月は1月で、冬は本格的です。外は雪が降っていますが、オフィスに行かなければなりません。手が凍りつき、寒さをしのぐために温かいコーヒーを飲みます。凍える手のひらでカップを握ると、手がゆっくりと温まり、再び快適になります。しかし、あなたはカップが冷たくなっていることに気付き、カップをテーブルの上に置くと暖かく保たれたのではないかと思います.

しかし、コーヒーをテーブルに置いた場合、コーヒーは暖かく保たれるでしょうか?とにかく、カップがあなたの手の中で冷めたのはなぜですか？

暖かい物体は、周囲との熱平衡状態に達するまで熱を失います。 （写真提供：twenty20）

上記の質問に対する答えは、熱力学によって提供されます。

熱エネルギーと熱の流れ

熱力学 (熱 + 動的) は、熱エネルギーと周囲の物質との相互作用を研究する科学の一分野です。暑さや寒さの感覚は、その物体を構成する分子の運動エネルギー（運動によるエネルギー）の尺度です。何かが熱い (温度が高い) と認識された場合、その物体の分子は、冷たい (温度が低い) と認識された物体よりも大きな運動エネルギーを持っています。

異なる温度の 2 つの物体 (つまり、異なる運動エネルギーを持つ構成分子) が互いに接触すると、次のことが起こります:

• 温度が高い (分子の運動エネルギーが高い) 物体は熱を失います。
• 温度が低い (分子の運動エネルギーが低い) 物体は熱を獲得します。
• 高温の物体から低温の物体への熱の流れは、温度差が存在する限り発生します。両方の物体が同じ温度に達すると、流れが停止します。これを「熱平衡」と呼びます。

熱伝達のメカニズム

熱伝達は次の方法で発生します:

1) 伝導: 互いに物理的に接触している異なる温度の2つの物体間のエネルギーの流れは、伝導と呼ばれます。運動エネルギーは、混合することなく両方の物体の界面での分子の衝突により伝達されます。たとえば、温かいコーヒー カップを手のひらで包みます。

高い運動エネルギーを持つコーヒーの分子がカップの壁に衝突し、その分子にエネルギーを与えます。その運動エネルギーの一部は、カップの側面から手に伝えられます。

単位時間あたりの熱伝達率 (Q) は次の式で与えられます:

どこで

A =より高温の物体が接触する表面 (カップ壁) の面積;

k =熱が流れる媒体 (カップ) の熱伝導率;

d =熱を伝導する媒体 (カップの断面) の厚さ;

=より高温の物体 (コーヒー) の温度;

=冷たい物体 (手のひら) の温度;

熱エネルギーは、分子同士の衝突により、炎に近い端から反対側の端に移動します

2) 対流: 表面に沿ったバルクの流体の移動による流体から表面へのエネルギーの流れは、対流と呼ばれます。流体から表面への熱の伝達が発生します。たとえば、熱いコーヒー カップの横にある手のひらに熱が感じられます (手がカップに触れていない場合)。

カップの壁は、コーヒーからの伝導によってエネルギーを獲得します。次に、壁は伝導によって周囲の空気を加熱します。カップのそばの熱い空気が上昇し、近くの手のひらの表面に沿って移動し、エネルギーを与えます.単位時間あたりの熱伝達率 (Q) は次の式で与えられます:

どこで

h =対流熱伝達係数;

A =流体と接触する表面の面積;

=動いている流体の温度;

=表面の温度;

熱い液体は上昇し、冷たい液体は下降します。熱い液体の上向きの動きは、上の冷たい液体にいくらかのエネルギーを与えます。

3) 放射線: 電磁波の形でのエネルギーの流れ 物理的な媒体が存在しないことを放射線と呼びます。媒体が存在する場合、その媒体にエネルギーは与えられません (伝導や対流とは異なります)。

宇宙のすべての物体は、EM スペクトルの赤外線端で電磁波の形でエネルギーを放射します。カップも電磁波を放射します。オープントップはコーヒーからの直接放射を伝えます。閉じた底と側面は、コーヒーからの伝導によって熱エネルギーを獲得し、そのエネルギーの一部を周囲に放射します。単位 (Q​​) 時間あたりに放射される熱エネルギーの量は、次の式で与えられます:

どこで

=オブジェクトの放射率 (オブジェクトのエミッターがどれほど優れているかがわかります);

A =放射面の面積 (オープントップ + カップ壁の横面積);

=ステファン定数

=ラジエーターの温度

=周囲の温度

ラジエーターの赤外線画像。赤黄色は高温を示し、青紫色は低温を示します (写真提供:Ivan Smuk/Shutterstock)

答え

この場合のコーヒーは、上記の 3 つのメカニズムによって熱を失います。質問は次のシナリオを提示します:

(注:対流は表面に沿った流体のバルク運動による熱の伝達であるため、上記のケースには寄与しません。手のひらがカップの横にあり、カップに触れていない場合、対流は次のようになります。貢献しました。)

すべての変数が変わらない場合、放射は熱伝達の最速モードです (対流や伝導よりも速い)、光の速度で発生するため (3 m/s).

上記の説明から、 CASE 1 では 最大の放射損失があります 直接 コーヒー/カップの壁から .これにより、CASE 2 よりもはるかに速い熱損失が発生します。 .

したがって、カップを保温するには、両手で持ってください!

上蓋を閉め、底面をカバーして導電損失を最小限に抑えると、より長く保温できます。カップの周りに真空層を作ることで、対流損失を処理できます.

また、EM 波は反射の法則に従うため、真空層を超えてカップの周囲全体に反射率の高い表面 (ミラー) を保持します。カップから発せられる放射線は反射してカップに戻り、コーヒーを何時間も温かく保ちます。または、多くの時間を節約して、ハイエンドの魔法瓶を購入することもできます!