Cerrado [Desafío 2.02] Cómo enfriar una sopa aportando energía

[La esfinge]

Muy buenas de nuevo, amigos.

Vuelvo a escribiros desde el más allá. Como os dije en el anterior desafío, estoy aquí pasando los últimos días del verano, esquivando el insoportable calor de Giza. Volveré a casa, por fin, el próximo día 24, justo después de celebrar la gran fiesta del equinoccio el día anterior. Por cierto, gracias a vuestras respuestas, mi querido amigo Isaac ha podido recordar como construir un telescopio reflector espléndido para poder observarlo con garantías.

En espera de la gran celebración, sigo pasando el tiempo visitando a los grandes de la historia, escuchando sus relatos. En esta ocasión, a falta de uno, he podido disfrutar de dos genios recordando batallitas: James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann.

Entre ambos, sentaron las bases de lo que hoy llamamos Teoría Cinética, y tantos años después siguen hablando apasionadamente de ella. Ojalá pudiera transcribir todo lo que he escuchado esta tarde. Pero, por desgracia, mi obligación de Esfinge es plantear un nuevo enigma, así que vamos allá.

La conversación se alargó tanto que hemos decidido cenar. Una deliciosa sopa, servida en unos platos hondos preciosos, cortesía de la señora Boltzmann. Por desgracia, James tiene una lengua muy sensible, así que decidió enfriar el contenido de su plato antes de ingerirlo. Con tal efecto, cogió su cuchara y empezó a remover la sopa a base de un rítmico movimiento circular de muñeca.

Al verlo, Boltzmann se rió. Dijo que al remover el líquido, Maxwell no hacía otra cosa que empujar sus moléculas, aportando más energía. «Como dice nuestra propia teoría Cinética, amigo James», prosiguió, «la temperatura no es más que la manifestación macroscópica de la energía cinética de las partículas que conforman la sopa. Por lo tanto, si aportas más energía agitándola con la cuchara, lo que harás será calentarla, no enfriarla».

Al escucharlo, Maxwell y yo no pudimos más que mirarnos mutuamente, extrañados. «Pero Ludwig, remover la sopa para enfriarla es una práctica milenaria. Y todos sabemos que funciona, tu razonamiento no puede ser correcto».

Tranquilo, chicos, no permitáis que una discusión sobre la sopa enturbie una secular amistad como la vuestra. Seguro que los chicos de La web de Física nos sacarán de dudas.

[La esfinge]

[Desafío 2.02] Cómo enfriar una sopa aportando energía

Al agitar la sopa, el líquido se mueve con la cuchara para ayudar a la convección (lo que conocemos como "convección forzada"), la parte superior de la sopa esta más fría porque a las partículas más energéticas les es muy fácil escapar de la sopa, mientras que en la parte inferior las partículas que están más caliente no puede atravesar toda la capa de sopa que hay en medio. Por lo tanto, lo que hacemos por un lado es "romper" la capa superficial y creando un cambio constante de partículas con lo que las más energéticas tienen mayor facilidad de pasar al aire y de pasar mayor cantidad de calor por conducción al aire ya que la parte superior no esta actuando de aislante.

La respuesta más valorada por el jurado, por segundo desafío consecutivo, ha sido la de Carmelo, con una calificación media de 9,1. A continuación podéis ver todas las respuestas recibidas.

Consulta las reglas de la segunda edición del Desafío Ed. URSS - La web de Física.

[Stormkalt]

[Desafío 2.02] Cómo enfriar una sopa aportando energía

¡Hola!

Si bien al revolver la sopa se aporta energía al sistema (como bien ha dicho el amigo Boltzmann), esta energía es mucho menor a la que intercambia la sopa con el medio a través de su superficie.

Es decir, suponemos que el medio está a menor temperatura que el sistema sopa-plato; de modo que fluirá calor "neto" del sistema hacia el medio.
Lo que ocurre es que la sopa se "enfría" principalmente por la zona superficial, mediante un proceso convectivo. El líquido a mayor temperatura asciende, disminuye su temperatura al intercambiar calor con el medio y luego desciende permitiendo que nuevo líquido a mayor temperatura se eleve. Y aquí está la clave del asunto, este proceso convectivo se puede acelerar removiendo el líquido con una cuchara. De esa manera se trae a la superficie de forma permanente las porciones de zopa "caliente" permitiendo que intercambien energía con las moléculas del medio. Esto hará que la sopa se enfríe más rápidamente que si la dejásemos estanca.

¡Saludos!

[alefriz]

sopita bien calentita

Buenas,

El objetivo de remover la sopa con la cuchara es aumentar la transferencia de calor de la sopa con su entorno para que ésta se enfríe, de dos formas:

1) El aire que hay justo encima de la superficie de la sopa (en reposo total) está casi a la misma temperatura que la sopa, pero al removerla este aire es movido y arrastrado, entreando aire más alejado, que está a menor temperatura (temperatura ambiente), en contacto con la sopa, enfriando la sopa mediante convección (forzada).

2) La sopa al estar en reposo, apenas tiene intercambio de calor por convección con el entorno (y digo apenas porque habrá algo de convección natural por pequeñas diferencias de densidades (y temperaturas) entre zona alta y baja de la sopa, aunque el efecto es mínimo), por lo que al remover la sopa el coeficiente convectivo de la sopa aumenta en gran medida (convección forzada), facilitando el intercambio de calor con el entorno tanto por la superficie como por los laterales del plato y fondo.

Si no moviesemos la sopa (en reposo), la mayor parte del calor lo perdería por conducción a través del fondo del plato y por la cuchara (si es que ésta está sumergida en la sopa) y poco por convección, siendo un proceso mucho más lento.

[natanael]

Dos movimientos distintos.

La energía cinética asociada a la temperatura no es más que la oscilación senosoidal de moléculas de cualquier cosa que ocupe un lugar en el espacio.

Lógicamente este movimiento presenta caracteristicas como frecuencia y amplitud, pero el movimiento que le aporta maxwell a la sopa es un movimiento aplicado a cada molécula del la solución, manteniendo casi constante el momiento interno de cada molecula en sí.

Se enfría la sopa mas conveccion que por radiacion o conducción, la transferencia de energía cinéntica de las moléculas de la sopa con las moléculas de aire se hace por conduccion, esta tranferencia de calor se hace mas efectiva si trasladamos las moléculas que tienen mas energía cinética hacia la superficie de la sopa (conveccion), y una parte muy pequeña del enfriamiento se hace por radiación infraroja.

Hasta aquí llego yó.

[alespa07]

desafío

Quizás esté diciendo una tontería enorme pero sé que el proceso de evaporación enfría (como cuando sales de la ducha jeeje). Es decir que creo que al agitar la sopa aumentamos la energía cinética de las particulas que forman la sopa, entonces, hay cada vez más partículas que tienen la energía suficiente para contrarestar las fuerzas de ligaduras del líquido y pueden escapar de él aumentando la tasa de evaporación y por ende, enfriando la sopa.

Saludos.

[Protones]

Desafio 2.02

Veamos ,lo correcto seria soplar , porque gracias a el efecto Venturi , que acelera el aire de nuestro soplido y produce una convección forzada en el aire que rodea la sopa, acelerando el enfriamento. El efecto Joule-Thomson enfria el aire, evitando que la temperatura del aire soplado sea demasiado alta, cosa que ralentizaría la transferencia por conducción.

[Crstinacq]

Enfriar una sopa aportando energía

Al remover la sopa circularmente, Maxwell empuja las moléculas del líquido con la cuchara, aportando energía. Dicha energía no calienta aún más la sopa, sino que hace que las moléculas (que están en constante movimiento, deslizándose y chocando entre ellas, aunque el líquido esté en reposo) adquieran mayor velocidad. Este aumento de velocidad se traduce en un aumento en la fuerza de choque de las moléculas, y hace que algunas de esas moléculas que se encuentran en la superficie del líquido, al chocar con otras, adquieran una velocidad suficiente como para escapar del líquido y mezclarse con el aire, formando vapor de agua.

Cuando una molécula abandona el interior del líquido, la energía del resto de la sopa se ve disminuida, puesto que las moléculas que logran escapar son las que tienen más velocidad, por lo tanto, las que quedan en el líquido son las que se mueven más lentamente. Y como decía Boltzmann, «la temperatura no es más que la manifestación macroscópica de la energía cinética de las partículas que conforman la sopa». Como la velocidad del conjunto de moléculas que quedan ahora son más lentas que el conjunto de moléculas inicial, ahora tienen menos energía cinética, y por lo tanto, la temperatura se ha visto disminuida respecto de la situación inicial, antes de remover la sopa con la cuchara. Así se calienta una sopa aportando energía.

[asegade]

Enfriar aportando energía

Hola.
Primera observación: la sopa tiene un porcentaje de agua mucho mayor que de cualquier otro componente, de modo que el comportamiento de la sopa será similar al del agua.
Con esta premisa, la sopa caliente tendrá menos densidad y se acumulará por encima del plato, dejando por debajo la que está un poco mas fría.
Si mezclamos la sopa, se homogenizará su temperatura y por lo tanto toda el área de intercambio térmico estará a una temperatura media mas alta que si dejamos la sopa reposar, de manera que su mayor disipación esté en la superficie libre y tenga poca disipación en el fondo.
Además la circulación del fluido optimizará su enfriamiento, sin tener que esperar a que se mueva por diferencia de densidad, para lo cual es necesario que haya gradientes térmicos considerables.
La milenaria costumbre de agitar la sopa para enfriarla no tiene en cuenta la poca energía que se agrega por la agitación que produce la cuchara, por que la potencia ingresada es mucho menor que la que se disipa al medio ambiente.

[MGonzalez137]

Enfriar la sopa

Buenas,

He estado pensado el problema de la sopa y solo se me ocurre una idea.
La sopa se enfría al removerla con la cuchara debido a la tranferencia de calor por conducción.
Esto se produce cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto dando como resultado la igualación de temperaturas de ambos cuerpos, ademas el efecto es mayor cuanto mayor sea la diferencia de temperatura de ambos. Sabemos que la sopa al tener mas energia, sus particulas se mueven a mas velocidad por lo que estas chocan con las de la cuchara y le ceden energía. Ademas tambien podemos pensar en la transmisión de calor por convección ya que tambien movemos el aire que está encima de la sopa por lo que al igual se podruciría transmisión de calor.

Espero dar el en clavo. Un cordial saludo!

[Metaleer]

Respuesta a [Desafío 2.02] Cómo enfriar una sopa aportando energía

Hay algunas cosas que hay que tener en cuenta cuando uno remueve la sopa con la cuchara:

1. Al remover la sopa, puede aparecer un vórtice que altera la sección eficaz que está expuesta a la atmósfera en un momento determinado, que a su vez puede modificar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor entre las capas de sopa más próximas a la atmósfera.
2. Cuando uno remueve la sopa, se puede producir una transferencia de calor entre las capas de sopa más próximas a la atmósfera y la propia atmósfera, debido a la velocidad relativa.
3. Al introducir la cuchara (en general de metal, por lo que goza de propiedades buenas de transferencia de calor) en la sopa, la sopa y la cuchara tienden a alcanzar el equilibrio térmico (igualdad de temperaturas). Como normalmente la sopa está caliente (a una temperatura mayor que la correspondiente a la temperatura atmosférica) y la cuchara tiende a estar a la temperatura del ambiente, es natural pensar que al calentarse la cuchara, la sopa se enfría.

Por otra parte, no es correcto intentar usar la Teoría Cinética para estudiar este fenómeno, por las siguientes razones:

1. La distribución de Maxwell-Boltzmann de velocidades de la Teoría Cinética se deduce apartir de la suposición de que una molécula dada es un subsistema, y las demás moléculas son un reservorio o foco térmico a una temperatura conocida en equilibrio térmico con la molécula dada. Esto significa que en la deducción de la distribución correspondiente de velocidades, hay que usar la colectividad canónica. Pero al remover la sopa, estamos rompiendo el equilibrio termodinámico (en particular el mecánico), que a su vez puede llegar a romper el equilibrio térmico, necesario para hacer uso de la colectividad canónica, y por tanto, de la Teoría Cinética.
2. La Teoría Cinética parte de las suposiciones de gas ideal, a saber: partículas puntuales que sólo interaccionan entre sí cuando chocan (lo que equivale a decir que los tamaños de las moléculas son muy inferiores a las separaciones intermoleculares), y sin fuerzas intermoleculares. Está claro que la sopa, que es un líquido, no tiene estas propiedades.

[DFP]

Primer contacto con La esfinge

En este desafio me presento a la Esfinge como concursante . Sin más dilación...

Bajo mi punto de vista, el error de Boltzmann en su argumentación es la importancia de las magnitudes. Efectivamente, la teoría cineticomolecular nos muestra con sus postulados que, al transmitir energía cinética a la sopa, la estamos calentando.

Lo que Ludwing olvida es que al mover el fluido, también estamos agilizando la transmisión de calor entre dos sistemas de temperaturas; el aire (con menor temperatura) y la sopa. Así pues, nuestra sopa tiende a ceder calor al aire, y con el movimiento de nuestra cuchara, facilitamos el equilibrio térmico creando un flujo entre los dos fluidos (ya sea un flujo paralelo o contracorriente).

También se podrían considerar la baja temperatura de la cuchara y del recipiente de la sopa, pero en comparación con la transmisión de calor entre el aire y nuestra comida, podemos despreciarlas.

Por lo tanto, mi conclusión es que la aportación de calor mediante el movimiento de la cuchara es muy inferior a la estimulación que supone el movimiento de la sopa para equilibrar térmicamente los dos sistemas (aire y sopa). Espero no haber enturbiado con mi respuesta la amistad de tan famosos físicos (La esfinge inclusive) .

¡Un saludo!

[Risu]

Solución a la sopa

A ver que tal me va:

Efectivamente, si movemos la sopa estamos aportando energía cinética al conjunto y por lo tanto no debería enfriarse (no al menos adelantar el enfriamiento natural de la sopa).
Lo que ocurre es que realmente también estamos dando pie a que la totalidad de las moléculas de la sopa se distribuyan por todo el plato y puesto que este es mejor conductor que el aire, damos lugar también a que, por el primer principio de la termodinámica, se transmita la energía del sistema al ambiente mucho más rápido que si no lo moviéramos, pues de ser así se enfriaría por las zonas de contacto directo al plato y luego se iría enfriando hacia el resto de la sopa, proceso más duradero que ir permitiendo el continuo contacto de todas las moléculas con el plato en sí.

[Cherno Alpha]

Respuesta: Cómo enfriar una sopa aportando energía

¿Cómo es que la sopa se enfría al removerla con una chuchara? Tal y como nos enseña la teoria cinética, al remover el líquido, empujamos las moleculas aportando mas energia, y en teoria, la sopa deberia calentarse, pero no.
Pues la razón descansa en un proceso físico denominado convección. La convección es una forma de transmisión o de transferencia del calor, es decir, es un procedimiento por el cual la energía térmica de un cuerpo puede viajar de un lugar a otro. Pero este trasvase en concreto ocurre de una forma muy particular, ya que no es la única manera en la que el calor se puede transmitir entre los cuerpos. Para que la convección tenga lugar es preciso que haya un desplazamiento físico de materia. Al remover la sopa con la cuchara movemos las moleculas mas calientes hacia arriba provocando que escapen de la superficie del líquido y pasen al aire que está justo encima de aquél, evaporándose y llevándose el calor excesivo de la sopa mediante el proceso de convección.
Como las moléculas que se han escapado eran las más veloces, las que quedan en el seno de la sopa poseen, en promedio, menores velocidades y, por tanto, la temperatura ha tenido que descender.
Para ser mas precisos, cabe decir que al usar la cuchara para accelerar el proceso de enfriamiento, lo llamamos enfriamiento por convección forzada.

[arreldepi]

Respuesta:

El calor se puede transportar de tres formas:

1. Conducción.
2. Convección.
3. Radiación.

En este caso, podemos despreciar el fenómeno de radiación, ya que no será especialmente notable y centrarnos en los casos de conducción y convección.

QUÉ SUCEDE ANTES DE REMOVER LA SOPA:

Por conducción, la superficie de la sopa calentará el aire que se encuentra en la superficie inmediata mediante flujos de calor (del cuerpo más caliente al menos caliente).

La masa de aire más fría, por convección, ocupará el lugar de la masa de aire caliente que ha dejado la sopa por conducción.

La finalidad de esto es recuperar el equilibrio térmico. Es decir, primero aparece un flujo de calor debido a que la sopa está más caliente que el aire que la rodea, una vez se empieza a calentar, se inicia un ciclo de convección en el aire, de forma que la superficie de la sopa se va enfriando y, al cabo de un rato, por conducción ("interna") se alcanza el equilibrio térmico en toda la sopa. Es un proceso algo lento.

QUÉ SUCEDE AL REMOVER LA SOPA

Al remover la sopa, además de producirse los fenómenos anteriores, estamos, repetidamente, produciendo una especie de "convección manual" en la sopa (además de la que internamente pueda estar teniendo lugar a pequeña escala) . Lo va sucediendo es que, constantemente, vamos haciendo que partes más calientes de la sopa (en general, líquido inicialmente en el fondo del plato, ya que no ha estado en contacto térmico con el aire de la superficie) estén durante un pequeño tiempo en la superficie y puedan brevemente, por conducción, ceder su energía térmica al aire de la superficie y, a la vez, estar en contacto térmico con el aire más frío que va llegando por convección. Este proceso durante un tiempo (no estaría nada mal que se les ocurriese soplar un poquito ) hace que la sopa se enfríe más rápido que dejándola en reposo, ya que son más las "porciones" de sopa que entran en contacto térmico con el aire de la superficie y, por el principio cero de la termodinámica, acabarán por estar en equilibrio térmico entre ellos.


QUÉ SUCEDE CON LA ENERGÍA CINÉTICA Y LA TEMPERATURA?

Es cierto que según el principio de equipartición la temperatura es la manifestación macroscópica de la energía cinética de las partículas. En los líquidos esto es menos destacable ya que las partículas ocupan posiciones bastante más fijas que en un gas. Además, la temperatura aumentaría si aumentase la vibración de las partículas, cosa que con el movimiento de una cuchara, no sucede demasiado, lo que hacemos es mover cantidades de líquido, puede que sí aumente un poco la velocidad de algunas moléculas, pero la energía que estamos aportando no es lo suficientemente grande como para producir efector notables en la temperatura (hay que tener en cuenta el pequeño valor de la cte. de Boltzmann, del orden de $10^{-23}$ J/K).