Kühlen einer Tasse Kaffee mit Hilfe eines Löffels

Ich Wir haben das Experiment gemacht. (Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Eintauchen gewinnen könnte, obwohl die endgültige Schlussfolgerung ungewiss ist.)

• $\mathrm{H_2O}$Eisbad
• Einmachglas
• Thermometer
• Topf mit kochendem Wasser
• Stoppuhr

Es gab vier Versuche, die jeweils 10 Minuten dauerten. Kochendes Wasser wurde in das Konservenglas gegossen, und der Löffel wurde aus dem Eisbad genommen und in das Glas gegeben. Einmal pro Minute wurde eine Temperaturmessung durchgeführt. Nach jedem Versuch wurde das Wasser zurück in den kochenden Topf gegossen und der Löffel wurde zurück in das Eisbad gestellt.

 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

Temperaturmesswerte haben eine Unsicherheit von$\pm1\,\mathrm{^\circ F}$.

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

Drhodes führte das Experiment durch, erhielt die Daten und zeigte, dass meine Hypothese falsch war. Das ist echte Wissenschaft .

Untertassen für Ihren Kaffee sind immer noch cool.

Frühere (widerlegte) Version:

Rühren wird zweifellos jedes Mal gewinnen.Deshalb müssen Physiker hin und wieder mit Chemikern sprechen. Wie Georg richtig bemerkt, ist die latente Verdampfungswärme von Wasser enorm - aber er irrt sich, wenn er mit dem Löffel schwenkt; Rühren ist hier der Champion. Wieso den? Die Temperatur ist wirklich die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle in der Massesubstanz, die tatsächlich eine Vielzahl von individuellen kinetischen Energien haben. Rühren ist der schnellste Weg, um Wassermoleküle mit hoher kinetischer Energie an die Oberfläche zu bringen, wo sie die elektrostatischen Bindungsmechanismen überwinden, die sie in der flüssigen Phase halten, und in die Luft (Dampfphase) springen. Diese schnelle Abnahme der hochenergetischen Ausreißer ist der schnellste Weg, um eine heiße wässrige Lösung abzukühlen. Es ist ähnlich wie das Rühren von Eistee. Wenn Sie einfach Eiswürfel in ein Glas warmen Tee geben, dauert es eine ganze Weile, bis der wärmere Tee abgekühlt ist; Wenn Sie es kräftig rühren, erreicht es innerhalb von Sekunden ein kaltes Gleichgewicht; ähnlich enorm ist die durch die Eisschmelze aufgenommene Schmelzwärme. Diese Art von Dingen hat viele Anwendungen in Labor- und industriellen chemischen Prozessen, Oberflächenkatalyse, Erdölcracken, yadda yadda. Im dritten Studienjahr der Physikalischen Chemie lernt man viel darüber und muss es vor oder während der Diplomarbeit als Chemiker wirklich beherrschen.

Wenn Sie eine Tasse Kaffee noch schneller kühlen möchten, hier ist ein Tipp von meinem Großvater Parker: Vergessen Sie den Löffel und die Untertasse Ihres Kaffees . Mit anderen Worten, gießen Sie den oberen Teil davon aus der Tasse in eine Untertasse und dann ein paar Mal wieder zurück. Die große und sich ständig ändernde Oberfläche während dieses Prozesses führt zu einer extrem schnellen Verdampfung dieser hochenergetischen Ausreißer, viel schneller als durch Rühren. Untertassen waren bis zur Weltwirtschaftskrise sehr verbreitet, was einer der Gründe dafür ist, dass ältere Kaffeeservices immer Untertassen enthielten. Als Überbleibsel dieser Praxis bekommt man in vielen Restaurants auch tiefe Untertassen, obwohl ich bezweifle, dass viele Leute es noch tun.

Die schnellste und coolste Art, den Kaffee mit nur einer Tasse und einem Löffel zu kühlen, was auch theoretisch möglich ist, besteht darin, den gesamten Kaffee in die Luft zu werfen und ihn mit einer einigermaßen gut koordinierten Bewegung in der fallenden Tasse aufzufangen Nieder. Dies maximiert die Gesamtoberfläche des Kaffees mit der Luft pro Zeit und damit auch die Gesamtwärmeübertragung.

Nun, wenn Sie nur einen Löffel verwenden dürfen, ist der schnellste Weg, den Kaffee zum Trinken zu kühlen, einen Löffel zu nehmen, darauf zu blasen, ihn vom Löffel zu trinken und einen nächsten Löffel zu nehmen. Konvektion wirkt Wunder.

Wenn Ihnen statt eines Löffels eine Untertasse erlaubt ist, gießen Sie ein wenig Kaffee in die Untertasse, pusten Sie darauf und trinken Sie ihn.

Was den Inhalt der Tasse angeht, ist Ihr Herumhantieren mit dem Löffel unerheblich. Das Abkühlen eines heißen Kaffees wird durch Verdampfen von Wasser erreicht. Bei Temperaturen zwischen 100 und sagen wir 50 °C ist der Dampfdruck so groß, dass die durch Konvektion des heißen (und viel weniger dichten als Luft!) Dampfes abgeführte Wärme alle anderen Wärmeübertragungsmechanismen dominiert. (ca. 540 cal/g Verdampfungswärme!)

Da Sie es also nicht "erlauben/akzeptieren", die Oberfläche des Kaffees zu blasen, ist es am zweitbesten, den Löffel über die Oberfläche zu schwenken . Das Blasen/Wedeln verbessert die Verdampfung, da der Dampf auf der Oberfläche schnell durch frische, kühle, trockene Luft ersetzt wird.

Heben Sie mit dem Löffel etwas Kaffee in die Luft und lassen Sie ihn zurück in die Tasse fließen. Ein schönes langes langsames Gießen ist ideal (so hoch wie möglich, ohne zu spritzen).

Die Bewegung des Wassers durch die Luft kühlt es am schnellsten ab.

Je größer der Löffel, desto schneller wirkt es.

In der realen Welt, um Kaffee schnell abzukühlen, nehmen Sie eine zweite Tasse und gießen Sie von einer zur anderen (wieder so hoch wie Sie können). Drei Güsse sollten ausreichen, um es von brennend heiß bis trinkbar zu machen.

Die Antwort kann leicht von der Luftfeuchtigkeit im Raum abhängen (da dies die Verdunstungskühlrate bestimmt), aber im Grunde ist es am besten, die Oberfläche Ihres Kaffees so weit wie möglich zu vergrößern und die Luftstromrate über den Kaffee zu erhöhen so weit wie möglich (damit der lokale Gradient des Wasserdampfpartialdrucks so steil wie möglich ist). Ich vermute, dass es am besten ist, Kaffeelöffel aufzuheben und sie so hoch wie möglich in die Tasse zu gießen, ohne den Kaffee überall zu verspritzen - der Strom der fallenden Flüssigkeit hat ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und ist schnell unterwegs.

Die schnellste Methode zum Kühlen von Kaffee (oder heißer Schokolade, da ich eher trinke), die ich entdeckt habe, wenn ich keine Untertasse oder zweite Tasse habe, besteht darin, den Löffel ganz zu ignorieren.

Ohne Untertasse, Löffel oder Blasen lege ich zuerst meine Hände ohne Isoliervorrichtung um den Behälter und lasse meine Hände so viel Wärme aufnehmen, wie sie aushalten können. Ich bewege dann meine Hände zum Tisch, um die Wärme auf den Tisch zu übertragen. Ich wiederhole dann das Schröpfen der Tasse und das Umsetzen auf den Tisch, wenn nötig. Innerhalb von 1-2 Minuten kann ich eine Tasse mit über 200 Grad auf ein angenehm trinkbares Niveau bringen.

Bei dieser Methode geht es darum, die Wärme aus dem Behälter an die Umgebung zu leiten, und hat den praktischen Nebennutzen, dass Sie Ihre Hände (und den Rest Ihres Körpers) sehr schnell wärmen, während Sie darauf warten, dass Ihr Getränk abkühlt. Kombinieren Sie es mit einem Schwenken der Tasse, um die Gesamttemperatur des Kaffees zu senken (nicht nur an den Seiten), und pusten Sie auf die Oberfläche (wenn Sie schummeln dürfen), und die Tasse kühlt noch schneller ab.

Das funktioniert am besten mit Glas- oder Metalltischen, aber auch Holztische funktionieren gut.

Kühlen Sie den Löffel zuerst vor (im Gefrierschrank oder in Ihrer Küchen-Thermoskanne mit flüssigem Stickstoff :) und legen Sie ihn in die Tasse. Wiederholen Sie den Vorgang regelmäßig mit neuen Löffeln. Verwenden Sie einen silbernen Löffel (einige von uns wurden mit einem im Mund geboren).

Hinweis: Wenn Sie jemandem erlauben, den Löffel in den Kaffee hinein- und herauszunehmen, lässt die Frage viel zu viel Handlungsspielraum zu – es ist auch dann nichts in den Grenzen der Frage, den Löffel abzukühlen – also, meine Antwort, die ironisch und nicht ernst gemeint war, für diejenigen, die Schwierigkeiten haben, den Unterschied zu erkennen ...

Es gibt auch eine signifikante Grenzschicht auf der Flüssigkeitsseite, ähnlich der Mikroschicht der Meeresoberfläche

Die Organisation der Wasseroberfläche ist ein Hindernis für die Diffusion von Gasen. Beispielsweise benötigt eine ungerührte (~5 ml) Oximeterzelle etwa 10 Minuten, um sich mit atmosphärischem Sauerstoff zu äquilibrieren, während eine gerührte Zelle weniger als eine Minute äquilibriert.

Oberflächenschaum oder eine Monoschicht aus Fettmolekülen, wie sie beispielsweise durch Kaffeeöle oder Kaffeesahne gebildet werden kann, hat wahrscheinlich isolierenden Wert. Rühren würde dies minimieren, indem es die Struktur stört.

Bewegen Sie die Tasse. Eine der wichtigsten Möglichkeiten, etwas abzukühlen, besteht darin, sicherzustellen, dass heiße Partikel, die von der Oberfläche des Getränks aufgestiegen sind, nicht wieder darauf fallen.

Komische Frage :)

Ich würde sagen, verwenden Sie die Raumtemperatur, heben Sie den Kaffee mit dem bald an und lassen Sie ihn wiederholt in die Tasse fallen. Dadurch kommt ein Teil des Kaffees mit dem kalten Raum in Kontakt, wodurch er kälter wird und sich mit dem heißen vermischt, was den herunterbringt Gesamttemperatur.

Ich habe (offensichtlich??) keine mathematischen / physikalischen Kenntnisse darüber, wie effektiv diese Technik sein könnte, und außerdem trinke ich den Kaffee so heiß wie ich kann ;P

Viel Glück!

Ich rühre den Kaffee in einer seitlichen Bewegung mit der Löffelschale parallel zur Seite der Tasse. Aufgrund des Winkels bewegt das Bernoulli-Prinzip den Kaffee durch die Mitte der Tasse nach oben. Dadurch zirkuliert die Flüssigkeit viel schneller als erwartet in einer kontrollierbaren Weise, die verhindert, dass Spritzer durch kräftiges Rühren verursacht werden können. Es hat auch den Nebeneffekt, dass der trockene Kaffeeweißer viel effizienter aus der Schüssel des Löffels entfernt wird als jede andere mögliche Bewegung. Die von der Mitte aufsteigende Flüssigkeit, die über die Oberseite zu den Seiten gedrückt wird, bewirkt eine sanfte und kavitationsfreie Rührung. Die Flüssigkeit leitet auch besser mit den Seiten und gibt Wärme sowohl über die Welle ab, die sich oben bildet, wodurch der Oberflächenkontakt mit Luft erhöht wird, als auch die Wärme auf den Körper der Tasse / des Wärmestrahlers übertragen wird. Eigentlich rühre ich so. Es reinigt den Löffel viel besser und erfordert weniger Kraftaufwand. Abgesehen davon ist das Obige lediglich eine zufällige Schlussfolgerung.

Indem Sie den Löffel stationär im Kaffee lassen, profitieren Sie nur von der Wärmeleitung und -ableitung des Löffels.

Indem Sie den Kaffee umrühren, tragen Sie nicht nur dazu bei, dass die heißesten Teile des Kaffees in Kontakt mit der Luft und der Tasse bleiben, sondern vergrößern die Oberfläche, indem Sie Anomalien in die Oberfläche einführen, und helfen dabei, die warme, feuchte Luft auf den Kaffee zu bewegen , aber Sie erhalten auch alle Vorteile der Wärmeleitung und -ableitung des Löffels.

Durch wiederholtes Eintauchen des Löffels führen Sie nicht nur Luft in die Flüssigkeit ein, die viel Wärme aufnimmt und weggeschleudert wird, sobald sie auf die Oberfläche trifft, sondern Sie erhalten auch alle Vorteile der Wärmeleitung und -ableitung von den Löffel und alle Vorteile des Umrührens des Kaffees.

Abgesehen davon, dass Sie wahrscheinlich den Kaffee verspritzen und die Theke durcheinander bringen, ist die richtige Antwort, den Löffel wiederholt einzutauchen. Außerdem sind Sie und Ihre Kollegen Nerds!

Rühren Sie den Kaffee mit dem Löffel um und blasen Sie mit dem Mund Luft in die Tasse. Ändern Sie alle paar Sekunden die Rührrichtung (im Uhrzeigersinn in den Gegenuhrzeigersinn und umgekehrt). Dies sollte es schnell abkühlen, als den Kaffee nur mit dem Löffel umzurühren.

Ich habe kürzlich einen etwas anderen Test gemacht und auch die Temperatur in einer Tasse Kaffee getestet:

Wo:

• Der grüne Bereich ist, wo ich denke, dass der Kaffee eine trinkbare Temperatur hat
• Lila ist keine Abkühlung. Es zeigt einfach eine Tasse Kaffee mit einem Löffel, der bei Zimmertemperatur steht.
• Orange weht auf den Kaffee. Ja, ich habe es 20 Minuten lang gemacht (go Physik).
• Rot hebt den Löffel, ähnlich wie "Löffel wiederholt einsetzen und entfernen", aber ich hebe etwas Kaffee hoch und lasse ihn auch in die Tasse fallen (ca. 5 cm Fall).
• Blue rührt den Kaffee mit einem Löffel um.

Der Test wurde mit einem Arduino durchgeführt, um alle 2 Sekunden die Temperatur zu speichern.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Blasen viel schneller ist! Das Blasen geht schneller, weil Sie feuchte und heiße Luft direkt über der Tasse wegblasen. Dann ersetzen Sie es durch kalte und trockene Luft. Das alte Gleichgewicht stellt sich wieder ein und verursacht viel mehr Verdunstungskühlung.

Die Verwendung einer Untertasse oder Eiswürfel ist immer noch schneller, aber mein Test konzentrierte sich auf das Beste, was Sie tun können, wenn Sie in einem Café sitzen.

Ich habe es für dieses Video gemacht , in dem ich mehr über das Setup und die Ergebnisse erkläre.

Verwenden Sie einen großen und dicken Kupferlöffel.

1. Tauchen Sie den Löffel für 3 Sekunden in den Kaffee.
2. Entferne ihn und stecke den Löffel in deinen Mund. (Vorsicht es wird heiß)
3. Verwenden Sie die Zunge und den Gaumen, um den Löffel abzukühlen, indem Sie fest drücken. Wenn der Löffel annähernd die Temperatur Ihres Mundes erreicht hat (fühlt sich lau an), entfernen Sie ihn und stecken Sie den Löffel für weitere 3 Sekunden plus 0,5 multipliziert mit der Anzahl der Male, die Sie den Löffel eingeführt haben, wieder in den Kaffee.
4. Wiederholen, bis der Löffel die gewünschte Temperatur hat.
5. Kaffee trinken. (aber nicht teilen, ist ungesund)

Es gibt viele Antworten und sogar experimentelle Daten, aber es gibt kein mathematisches Modell. Ich werde diese Lücke füllen und einige Modelle hinzufügen, die die experimentellen Daten erklären. Das einfachste Modell ist die laminare Konvektion, die die Wärmeübertragung vom Kaffee an die Umgebungsluft beschreibt. Dieses Modell beschreibt das Kühlen von Kaffee ohne Löffel und ohne zu blasen. Hier gehen wir davon aus, dass die Wärme von oben und durch die Seitenwände abgeführt wird und der Boden isoliert ist. Abbildung 1 zeigt die konvektiven Stromflusslinien (oben links) und Temperaturänderungen mit der Zeit im Volumen (rechts) und an drei Punkten$1 - (0.5,0.5),2 - (0.5,0), 3-(0.25,0)$(rechts unten). Abbildung 2 zeigt die gleichen Parameter in Gegenwart von Blasen. Vergleicht man die Daten in den Fign. 1 und 2 sehen wir, dass der Luftstrom die Kühlzeit auf eine akzeptable Temperatur am Boden des Bechers verkürzt (aber nicht in der Mitte). Deshalb brauchen wir immer noch einen Löffel, um heiße und kalte Flüssigkeit zu mischen.

Wenn Sie einen Löffel festhalten und ihn senkrecht zur Oberfläche des Löffels mit einer bestimmten Geschwindigkeit hin und her bewegen, verursachen Sie eine stabile Kavitation und extreme Turbulenzen, die nicht aus dem Becher spritzen. Ich mache das die ganze Zeit, wenn ich Zucker in Kool-Aid auflöse, aber mit etwas Übung denke ich, dass es den Kaffee schneller abkühlen könnte. Könnte eine knappe Sekunde nach der Löffel-Hebe-Gieß-Technik sein.

Wärme fließt in einen kühleren Zustand; Kälte fließt nicht in einen wärmeren Zustand. Die "Kühlgeschwindigkeit" hängt von der Differenz zwischen dem Kaffee und der umgebenden Umgebungstemperatur ab. Das heißt, eine sehr heiße Tasse Kaffee kühlt "schneller" ab als eine nur warme Tasse Kaffee. Wenn sich die sehr heiße Tasse Kaffee der Raumtemperatur nähert, verlangsamt sich auch die Abkühlungsgeschwindigkeit. Durch einfaches Berühren des Löffels mit einem Eiswürfel kann die „Wärme“ schneller in den Eiswürfel fließen. Die Zugabe des Eiswürfels kann jedoch die Parameter des Experiments verletzen. Indem Sie den Löffel bei Raumtemperatur belassen, können Sie die Temperatur des Kaffees erkennen. Es wird die gleiche wie die Raumtemperatur sein – nicht kälter.

Wenn das einzige Gerät eine Tasse heißen Kaffees und ein (Metall-)Löffel ist, lässt sich der Kaffee am besten kühlen, indem man den Kaffee „zufällig“ rührt und nicht in kreisenden Bewegungen . Die Gründe sind wie folgt:

• Wahl des Metalllöffels: Der Metalllöffel hat eine niedrigere Temperatur als der Kaffee und fungiert als Wärmesenke, sodass Wärme vom Kaffee zum Löffel fließt.
• Rühren des Kaffees: Rühren vergrößert die Kontaktfläche des Kaffees mit der Atmosphäre und durch Konvektion steigen die Wärmeströme an die Oberfläche und kühlen aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen Atmosphäre und Kaffee ab.
• Rühren in zufälliger Weise: Wenn das Rühren kreisförmig erfolgt, bewegt sich ungefähr jede Portion des Kaffees in einem kreisförmigen Muster und Teile, die unter der Oberfläche beginnen, bleiben unter der Oberfläche. Wenn das Rühren jedoch zufällig erfolgt, hat jeder Teil des Kaffees eine größere Chance, sich zur Oberflächenschicht zu bewegen. Darüber hinaus hängt der Wärmeübertragungskoeffizient von der Reynoldszahl ab; mehr die Turbulenz, mehr die Reynoldszahl und mehr die Wärmeübertragung. So kann zufälliges Rühren die Turbulenz der Strömung erhöhen, was zu einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen dem Kaffee und der Atmosphäre führt.

NB: Man sollte den Kaffee willkürlich innerhalb einer Grenze umrühren, sonst würde der Kaffee verschüttet und es würde überhaupt kein Kaffee mehr in der Tasse zu trinken sein.

Mit der Bewegung des Löffels geben Sie den Partikeln und Molekülen Energie. Auf diese Weise erhöhen die Moleküle ihre kinetische Energie und viele von ihnen entweichen aus der Teetasse. Daher ist die Verwendung eines Löffels zum Kühlen einer Tasse Tee gültig !

Wie wäre es damit: Bevor Sie den Kaffee in die Tasse füllen, gießen Sie den heißen Kaffee direkt auf den Löffel und lassen den Überschuss in die Kaffeetasse rieseln. Das Ziel dabei ist, den Kaffee mit möglichst viel Abstand stromabwärts auf den Löffel und dann in die Tasse fließen zu lassen.

Je mehr Abstand zwischen Löffel, Tasse und Kaffeequelle ist, desto mehr kann es durch die Luft abkühlen.

Diesen Effekt spürt man beim Duschen. Wenn Sie die Temperatur des Wassers einstellen und den Duschkopf näher und weiter von Ihrem Körper wegheben, können Sie spüren, wie sich die Temperatur ändert, je weiter er durch die Luft wandert.

Der schnellste Weg wäre, einen flachen, rechteckigen, dicken Streifen mit einem Eiswürfel am anderen Ende in den Kaffee zu halten. Die Wärme fließt durch Leitung. Und da der Temperaturunterschied zwischen den beiden groß ist, wird viel Wärmeenergie vom Eiswürfel zum Schmelzen absorbiert (vielleicht ist es besser, ein kälteres Objekt zu nehmen).

Diese Wärme wird Ihrem Kaffee entzogen und gekühlt. Ich denke, es ist ziemlich ähnlich, ein paar Eiswürfel in einen Kaffee zu werfen, nur ohne den Kaffee zu verdünnen.