Si tengo una botella o recipiente con X onzas líquidas de agua a temperatura Y (digamos, temperatura del refrigerador o temperatura ambiente), y le pongo hielo o palitos de hielo (compuestos de agua) que forman Z onzas líquidas, ¿cuánto tiempo aproximadamente ¿Debo esperar antes de esperar que la bebida esté óptimamente fría? Cuanto más frío, mejor (¡suponiendo que tenga suficiente tiempo para beberlo antes de que deje de estar frío!).
¿Es más frío justo cuando el hielo está a punto de derretirse, o justo después de un cierto período de tiempo de exposición al hielo?
También me interesaría saber si tener una botella sellada al vacío/aislada hace alguna diferencia aquí, si la temperatura exterior/ambiental hace alguna diferencia, y cómo cambia el escenario al colocar la botella en un congelador.
Lo creas o no, tuve dificultades para encontrar una respuesta confiable a cualquiera de estas búsquedas en la web.
Probablemente haya tenido dificultades para encontrar una respuesta porque no es sencilla. Hay muchos factores que pueden influir en el mejor enfoque y los tiempos.
Por ejemplo, la temperatura del entorno y el aislamiento de su contenedor tendrán efectos significativos en la temperatura con el tiempo. Un contenedor altamente aislado le permitirá alcanzar una temperatura mínima más baja y un entorno más fresco hará lo mismo. Meter el biberón en el congelador también bajará la temperatura mínima posible (incluso si lo sacas del congelador para hacer este experimento, es mejor un biberón frío que uno tibio).
La temperatura inicial de la bebida en comparación con la temperatura inicial del hielo también es muy importante.
Para determinar cuándo estará más frío, debe comparar la cantidad de calor transferido del hielo a la bebida y del entorno a la bebida. Siempre que la tasa de calor transferido al hielo sea mayor que la tasa de calor transferido desde el entorno a la bebida, el sistema estará enfriando. Esperaría encontrar la temperatura más baja cerca del punto en que el hielo se está derritiendo. Esto se debe a que el derretimiento del hielo requiere el calor latente de fusión, y el hielo retiene su temperatura durante este proceso; para que el hielo pueda absorber el calor mientras permanece a la misma temperatura. Esta transición de fase representa una parte bastante grande de la capacidad de enfriamiento del hielo.
Sin embargo, los detalles de cuándo sucederá esto pueden variar mucho dependiendo de su configuración. Factores como la geometría del recipiente y la geometría del hielo pueden ser significativos para determinar la transferencia de calor entre esos objetos y su entorno (por ejemplo, el área superficial afecta la tasa de transferencia de calor y la geometría puede afectar las corrientes de convección).
¿Aproximadamente cuánto tiempo debo esperar antes de que pueda esperar que la bebida esté óptimamente fría?
Eso depende de la tasa de transferencia de calor entre el hielo y el fluido. Y eso depende (en gran medida) de la superficie expuesta del hielo. Si coloca 20 g de hielo picado en un líquido en lugar de un solo cubo de hielo de 20 g, el líquido de hielo picado se enfriará significativamente más rápido.
¿Es más frío justo cuando el hielo está a punto de derretirse, o justo después de un cierto período de tiempo de exposición al hielo?
Esa es una pregunta compleja. A medida que el fluido se enfría, la transferencia de calor al hielo se ralentiza y la transferencia de calor del entorno se acelera. A cierta temperatura (basada en el aislamiento del recipiente, la temperatura del ambiente y el área superficial del hielo), la transferencia de calor entre ambos es idéntica. Eso es lo más frío que se pondrá el fluido. Una gran cantidad de hielo picado puede llevar el líquido casi al punto de congelación rápidamente y permanecer allí durante mucho tiempo, y luego subir más a medida que se reduce la cantidad de hielo. Un solo cubo puede comenzar a enfriar la bebida y nunca llegar a enfriarse mucho antes de que el cubo se derrita por completo.
Incluso medir (o estimar) el área superficial de una cantidad de hielo es difícil, y comprender cómo evoluciona a medida que el hielo se derrite es aún más difícil. La tasa de transferencia de calor puede depender de las corrientes de convección, que a su vez dependen de la forma del recipiente. En total, esto es algo difícil de calcular directamente. Es más probable que este problema se aborde midiendo la temperatura frente al tiempo de algunas configuraciones comunes e interpolando entre ellas.
dmpalmer
Andrés