Jesteś tutaj

Jak naprawdę stygnie kawa?

  • kawa
    źródło: flickr.com (fot. Richard Clark)

Kiedy najlepiej dolać mleko, aby otrzymać jak najchłodniejszą kawę? Co na ten temat mówią badania z Cambridge? Pora przekonać się jak naprawdę stygnie biała kawa. 

W ostatnim fiztaszku zastanawialiśmy się co zrobić, aby otrzymać jak najchłodniejszą kawę z mlekiem. Nasz dylemat polegał na tym, że nie wiedzieliśmy, czy dolać mleko od razu na początku, a następnie poczekać kilka minut, czy też zrobić na odwrót. Przy pomocy szkolnej fizyki oraz paru upraszczających założeń doszliśmy do wniosku, że żadne kombinacje nie pomogą – w każdym wariancie temperatura końcowa kawy będzie taka sama.

A może Newton się mylił?

Łatwo zauważyć, że nasze rozumowanie może być narażone na krytykę co najmniej z kilku powodów. Po pierwsze radośnie założyliśmy, że temperatura kawy maleje zgodnie z prostym prawem stygnięcia Newtona. Wiadomo jednak nie od dziś, że nie obowiązuje ono, jeżeli przekazywanie ciepła odbywa się poprzez promieniowanie, konwekcję lub też towarzyszy mu parowanie. Wygląda zatem na to, że może się ono nie stosować do stygnącej kawy. Aby się jednak upewnić, warto sprawdzić to doświadczalnie.

Wystarczy przygotować w kubku kawę, a następnie zmierzyć jak spada jej temperatura. Poniżej przedstawiono wykres prezentujący wyniki takich pomiarów. Kropkami naniesiono punkty doświadczalne, natomiast czerwona linia prezentuje przewidywania prawa stygnięcia Newtona. Pomiary zostały przeprowadzone na warsztatach Krajowego Funduszu na rzecz Dzieci.

Od razu widać, że nasze obawy się nie potwierdziły. Zgodność pomiarów z prawem stygnięcia Newtona jest całkiem niezła. Wygląda więc na to, że nie ma powodu aby odsyłać to leciwe prawo do lamusa, i to niezależnie od koloru kawy.

Która stygnie szybciej?

A może kawa biała i czarna nie stygną z taką samą szybkością? Analiza tego zagadnienia została przedstawiona w artykule „On cooling tea and coffee” opublikowanym w 1988 roku przez dwóch fizyków z Cambridge. Według zamieszczonych tam danych kawa czarna pokonuje połowę „dystansu” do temperatury pokojowej w 22 minuty, podczas gdy biała potrzebuje na to 26 minut. Wygląda zatem na to, że założenie o takich samych szybkościach stygnięcia kawy czarnej i kawy z mlekiem należy odesłać w niebyt.

Skąd się bierze ta różnica? Pierwsze podejrzenia padły na zmianę emisyjności. Kawa biała i czarna mają inny kolor, a więc emisyjność, czyli szybkość oddawania ciepła w postaci promieniowania, może się różnić. Dodatkowe eksperymenty pokazały jednak, że różnica ta jest zaniedbywanie mała i nie może tłumaczyć różnicy czasów stygnięcia.

Może więc lepkość? Lepkość jest miarą tego, jak “opornie” płynie ciecz; jest duża dla płynów podobnych do miodu, a mała dla wody. Jej zwiększenie mogłoby w naszym przypadku znacznie ograniczyć konwekcję cieczy, a tym samym utrudnić wymianę ciepła z otoczeniem. Jednak i tym razem okazało się, że pomijalnie mała zmiana lepkości niewiele wyjaśnia.

W swoim artykule autorzy dochodzą w końcu do wniosku, że najprawdopodobniej dodanie mleka utrudnia parowanie cieczy. Mniejsze parowanie to wolniejsza utrata ciepła i dłuższy czas stygnięcia. Tą radosną konkluzją fizycy z Cambridge kończą swój artykuł.

Ale chwila. Coś tu nie gra. Jeżeli rzeczywiście parowanie miałoby tłumaczyć szybsze ochładzanie się kawy czarnej, to krzywa stygnięcia nie powinna spełniać prawa Newtona, które nie obowiązuje dla mocno parujących cieczy. Widzieliśmy jednak wyraźnie, że prawo to jest w zadowalający sposób spełnione! Niechybnie zatem coś w naszym opisie szwankuje.

Eksperyment prawdę ci powie

W celu weryfikacji przewidywań literaturowych, dwóch (tym razem warszawskich) fizyków postanowiło wykonać swoje własne eksperymenty. Filip Kiałka oraz Tomasz Smołka, bo o nich mowa, przygotowali w takich samych naczyniach takie same objętości kawy białej i czarnej i cierpliwie mierzyli jak spada ich temperatura. Wyniki prezentuje poniższy wykres. Linie oznaczają przewidywania prawa stygnięcia Newtona.

W świetle wcześniejszych danych wykres ten może wydawać się zaskakujący. Wygląda bowiem na to, że kawa biała i czarna stygną tak samo szybko i około 18 minut wystarcza im na pokonanie połowy „dystansu” do temperatury pokojowej. Co więcej, pomiary dla innych naczyń i objętości pokazały to samo – kawa biała i czarna stygną z taką samą szybkością. Rozbieżności na linii Cambridge-Warszawa są zastanawiające i trudno je wyjaśnić. Wygląda jednak na to, że już drugie z naszych radosnych założeń całkiem nieźle się broni.

No to kiedy mam wreszcie dolać to mleko?

Takie same objętości kawy białej i czarnej stygną tak samo - tak przynajmniej mówią najnowsze pomiary. Tym nie mniej przed dolaniem mleka napój ma mniejszą objętość, przez co będzie stygnąć szybciej. Jest to łatwe do zrozumienia, bo w przypadku małej ilości napoju, stosunek powierzchni, przez którą ucieka ciepło, do objętości cieczy jest większy. Oznacza to, że kawa bez dodatku mleka będzie stygnąć szybciej po prostu z tego powodu, że będzie jej w kubku mniej.

Jeżeli zatem chcesz mieć jak najchłodniejszą kawę, najpierw poczekaj aż lekko przestygnie, a dopiero potem dolej do niej mleko o temperaturze pokojowej. Mała objętość czarnej kawy będzie efektywniej oddawać ciepło, co pozwoli na jej szybsze schłodzenie.

Jeżeli natomiast trzymasz mleko w lodówce, to tym bardziej poczekaj z jego dolaniem. Proste rachunki pokazują, że niezależnie od tego jak różnią się czasy stygnięcia kawy białej i czarnej, zimne mleko lepiej schłodzi kawę, gdy dolejemy go jak najpóźniej.

Więcej do poczytania:

 

  • Obrazek użytkownika krupinski
    O autorze:

    Michał Krupiński

    Redaktor naczelny fiztaszki.pl, kierownik Fiztasz Research Center
    Fiztaszkowiec doświadczalny. Na co dzień nanosi cienkie warstwy metali na wszystko co popadnie. Po godzinach pasjami oddaje się eksperymentom kawiarniano-kuchennym.

Komentarze

Obrazek użytkownika Anonim

ja jednak preferuję ciepłą kawę i dolewam ciepłe mleko do ciepłej kawy :)

Obrazek użytkownika Leszek W. Kowalski

Jeśli udałoby się wlać mleko tak, żeby się nie wymieszało ale stworzyło dwie "warstwy" (jak w niektórych drinkach) - może w przypadku kawy z warstwą mleka u góry utworzy się "termos" trzymający dłużej ciepło?

Obrazek użytkownika krupinski

Na pewno taka warstwa mleka mocno ograniczyłaby parowanie kawy, co spowodowałoby usunięcie tego sposobu utraty ciepła. Też strzelam, że w takim przypadku kawa wolniej zmniejszałaby swoją temperaturę. Ale oczywiście należałoby to sprawdzić doświadczalnie.

Obrazek użytkownika Bartek NZ14

Ja bym się w tym wypadku zastanowił, czy nie będzie odwrotnego efektu - mleko ma większą pojemność cieplną niż powietrze, przez co będzie mogło zaabsorbować więcej ciepła, które normalnie uciekłoby w formie pary. Inna rzecz, że część pary myślę, że konwekcyjnie przedostanie się do mleka... Innymi słowy trzeba wykonać eksperyment, przynajmniej jakąś symulację MC, aczkolwiek pytanie, czy ktoś opracował już model na podstawie którego można by symulować... Jak zdam kwanty to może się tym zajmę w ramach pracy doktorskiej? :) Pozdrawiam

Dodaj komentarz