Cocino frecuentemente con papel aluminio como cubierta en el horno. Cuando llega el momento de quitar el papel aluminio y cocinar al descubierto, descubro que puedo manipularlo con mis manos desnudas y apenas está tibio.
¿Cuál es la física detrás de esto? ¿Tiene que ver con el grosor y la retención de energía?
Te quemas porque la energía se transfiere del objeto caliente a tu mano hasta que ambos estén a la misma temperatura. Cuanta más energía se transfiera, más daño te hará.
El aluminio, como la mayoría de los metales, tiene una capacidad calorífica menor que el agua (es decir, tú) por lo que al transferir una pequeña cantidad de energía la temperatura del aluminio disminuye más que te calienta a ti (aproximadamente 5 veces más). Además, la masa del papel de aluminio es muy baja - no hay mucho metal para retener el calor, y finalmente el papel de aluminio probablemente está arrugado, por lo que aunque es un buen conductor de calor, solo estás tocando una parte muy pequeña de la superficie, por lo que el flujo de calor hacia ti es bajo.
Si pones tu mano plana en un bloque de motor de aluminio a la misma temperatura, te quemarías.
Lo mismo se aplica a las chispas de una amoladora o bengala, las chispas son lo suficientemente calientes como para ser hierro fundido, pero son tan pequeñas que contienen muy poca energía.
Los comentarios no son para discusiones extensas; esta conversación ha sido trasladada a un chat.
Aunque es cierto que la diferencia en capacidad calorífica específica está a tu favor, su efecto es realmente insignificante en comparación con la diferencia de masa. El papel de aluminio típico es 0.016 mm de espesor y pesa 0.043 kg/m², mientras que la piel humana tiene aproximadamente 1.3 mm de espesor (e incluso más gruesa en las palmas/dedos) y pesa alrededor de 1.3 kg/m², asumiendo una densidad de 1000 kg/m³.
Entonces hay aproximadamente 30 veces de diferencia en masa multiplicada por 5 veces de diferencia en capacidad calorífica específica.
No para discutir innecesariamente, pero ¿no es la diferencia en capacidad calorífica específica lo que se ve empequeñecido? Es la diferencia en capacidad calorífica lo que importa, que es un producto de la diferencia de masa y la diferencia de c.h.e... ¿verdad?
"Entonces hay alrededor de 30 veces de diferencia en masa además de 5 veces de diferencia en capacidad calorífica específica." En multiplicación, más o menos.
@Dancrumb Sí, esa palabra realmente hacía falta, ¡gracias! También corregí la parte controvertida de "además", aunque "en multiplicación" no suena como buen inglés para mí.
Lo que se está discutiendo aquí es la capacidad calorífica específica. El flujo de calor se basa en la temperatura, y aunque eso pueda parecer una afirmación bastante obvia, hay importantes distinciones que hay que hacer aquí.
Comúnmente se dice que la temperatura fluye de caliente a frío. Lo que realmente significa esto es que la energía calorífica fluye de una temperatura más alta a una temperatura más baja. Pero de nuevo, ¿por qué la distinción entre calor y temperatura?
Bueno, porque los dos no son lo mismo, están intrínsecamente vinculados, pero no son lo mismo. La energía calorífica almacenada por un objeto varía debido al material del objeto. Por eso la gente surfea en otoño: el agua necesita más energía para elevar su temperatura que las áreas circundantes, por lo que incluso cuando el aire está frío, el agua sigue estando relativamente cálida, mientras que en verano aún no se ha calentado. Nuestros cuerpos son principalmente agua, elevar la temperatura de la cual requiere mucha más energía que el aluminio (se ha mencionado que 5 veces más en dos respuestas anteriores, pensé que era más cercano a 6 veces, pero sin buscar en Google, el punto sigue en pie).
El efecto responsable de esto se conoce como capacidad calorífica específica, la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de una masa dada de un material dado en una cierta cantidad:
$$E=mcθ$$
En cuanto a símbolos confusos, esta fórmula lo hace bastante bien. En lugar de que $θ$ sea un ángulo, es el cambio de temperatura. $c$, en lugar de ser la velocidad de la luz, es la capacidad calorífica específica, y $E$ a veces se escribe como $Q$...
Sin embargo, lo que esta fórmula nos muestra es que tu papel de aluminio, aunque esté a una alta temperatura, en realidad no tiene mucha energía calorífica dentro de él, el término $θ$ puede ser alto, pero los términos $m$ y $c$ son bajos.
Esta energía se transfiere entonces a tu mano a lo largo del tiempo, hasta que ambos lleguen al equilibrio térmico (misma temperatura, no misma energía). A medida que tu mano absorbe energía, por cada grado que aumenta de temperatura, el papel de aluminio disminuirá 6 grados.
Volviéndonos más meticulosos ahora, esto tampoco sucederá instantáneamente (y técnicamente, esto es casi un proceso de difusión, a veces modelado como la transferencia de fonones de calor, por lo que nunca puede completarse), por lo que sumado al hecho de que el papel de aluminio tiene poca masa (y por lo tanto poco calor), y al hecho de que la distribución del calor evitará que todo el calor vaya a tu mano, y al hecho de que incluso si todo el calor va a tu mano, el valor mayor de $c$ de tu mano significará que el cambio de temperatura de tu mano es mucho menos que la pérdida de temperatura del papel de aluminio, el proceso tampoco transferirá toda la energía para alcanzar el equilibrio, y ciertamente tendrías tiempo suficiente para quitar tu mano (especialmente porque si esperas tanto tiempo, el propio horno comenzará a calentar tu mano, y es posible que realmente quieras quitarla).
Así que, en resumen, ¡deberías sentirte muy seguro con tu papel de aluminio!
P.D. Mi conocimiento general estaba equivocado, es cerca de 5 veces más (en realidad, ligeramente menos), básicamente sustituye todos los '6' con '5'.
Existen tres categorías de transferencias de calor:
Las transferencias de convección y radiación ocurren en toda el área (¡ambos lados!) del papel de aluminio mientras que la conducción solo ocurre en el área tocada por tus dedos. Suponiendo que el papel de aluminio es del tamaño de una carta A4 ($≈ 1250\mathrm{cm}^2 $) y el área de contacto es de $10\mathrm{cm}^2 $, la proporción es mayor a 100.
El papel de aluminio se enfría rápidamente tan pronto como se abre el horno (y aún más cuando se saca del horno) porque su razón A/V es grande. No hay mucha energía para transferir en primer lugar (como otros mencionaron, el papel de aluminio es extremadamente delgado) y mayormente fluye hacia el entorno, no hacia tu mano.
He aquí otro ejemplo:
Los virutas que salen de la amoladora están mucho más calientes que tu papel de aluminio (ellos brillan), sin embargo no son dolorosas al tacto porque no tienen mucha masa o energía.
Un ejemplo contrario sería sumergir tu mano en agua caliente. Puede estar mucho más fría que el papel de aluminio pero seguiría siendo doloroso a temperaturas superiores a 50°C. El agua tiene alta densidad, alta capacidad calorífica y no se enfría muy rápido porque no está mucho más caliente que el entorno.
"y en su mayoría fluye hacia el medio ambiente, no hacia tu mano." No estoy seguro de si esa parte sería cierta. Las manos son bastante eficientes en disipar el calor; incluso tenemos un fluido forzado circulando bajo nuestra piel que puede llevar rápidamente el calor lejos. Aunque tus manos son solo una pequeña área; también proporcionan una ruta de enfriamiento muy efectiva para el papel de aluminio.
@JMac: Gracias por el comentario. He añadido una comparación de áreas. Hay al menos dos órdenes de magnitud entre el área de lámina y el área de contacto.
@EricDuminil presumiblemente el interior del horno está mucho más cerca de la temperatura del papel aluminio. De hecho, así es como el papel aluminio se calentó en primer lugar. Se enfría un poco al abrirse, pero sigue estando bastante caliente en comparación con tu cuerpo.
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Del mismo modo, si pones agua caliente del grifo en una lata de aluminio se calienta muy rápido en comparación con si haces lo mismo con una olla.
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Ahora, si aplastas el aluminio en una pequeña bola e intentas hacer lo mismo, esperaría que te quemes (dependiendo de la masa total de la pieza).