¿Por qué el metal frío parece más frío que el aire frío?

(Me disculpo por esta pregunta elemental. No sé mucho sobre física).

Digamos que pongo una olla de metal en el refrigerador durante varias horas.

En este punto, supongo, la olla y el aire (en el refrigerador) tienen la misma temperatura.

Ahora, toco esta olla. Se siente muy frío. Pero cuando "toco" el aire (que está dentro de la nevera) no se "siente" tan frío. No siento lo mismo "¡Ay!" que siento cuando toco la olla.

¿Porqué es eso? ¿Por qué el metal parece más frío que el aire aunque ambos tienen la misma temperatura?

(Sé que el gas tiene menos partículas en una unidad de volumen en comparación con los sólidos y los líquidos, pero dado que "temperatura" significa "la energía cinética promedio", se supone que estas partículas de aire menos golpean mi mano en una velocidad que va a compensar su menor número, ¿no es así?)

Una pregunta relacionada, para aclarar:

Si uso un termómetro para medir la temperatura de la olla y el aire (supongamos que es un termómetro que tiene una sonda que puede tocar objetos), ¿mostrará la misma lectura para ambos? Si es así, ¿en qué se diferencia el termómetro de mi mano? Quiero decir, mi mano es una especie de termómetro, entonces, ¿por qué fallaría mientras que un termómetro no humano funcionaría?

Veritasium tiene un video decente al respecto, compara una lata de pastel con el pastel mismo y un libro y un objeto de metal. Luego le pregunta a diferentes personas en la calle qué piensan youtube.com/watch?v=hNGJ0WHXMyE
Lo interesante aquí es que tu mano no es un termómetro; un termómetro mide la cantidad promedio de energía térmica que hay en un objeto, pero eso no es lo que estás midiendo con la mano. "Sentir frío" o "sentirse caliente" con la mano en realidad mide qué tan rápido se mueve la energía entre la mano y el objeto, no la energía promedio en el objeto .
@SWeer, hice clic en esta pregunta específicamente para poder vincular ese video de Veritasium.
Como también muestra el video de Veritasium, no necesita un refrigerador para ese efecto. Compare la temperatura percibida de un bloque de metal (o una olla o una cuchilla) con la de un bloque de espuma de poliestireno, ambos a temperatura ambiente. El bloque de metal se sentirá más frío, mientras que el bloque de espuma de poliestireno podría incluso sentirse más caliente que el aire que lo rodea, porque es un buen aislante (es decir, un mal conductor térmico).
¿Acaso la mano y el termómetro no miden la temperatura por sí mismos? ¿No es solo que el termómetro reacciona más rápido porque está hecho de metal?

Respuestas (6)

Respuesta corta:

El termómetro mide la temperatura real (que es la misma para ambos), mientras que tu mano mide la transferencia de energía (calor), que es mayor para la olla que para el aire.

Respuesta larga:

Palabra clave: conductividad térmica

La diferencia es un parámetro específico del material llamado conductividad térmica . Si estás en contacto con algún material (gas, líquido, sólido), el calor, que es una forma de energía, fluirá del medio con mayor temperatura al de menor temperatura. La velocidad a la que esto sucede está determinada por un parámetro llamado conductividad térmica. Los metales suelen ser buenos conductores del calor, por lo que el metal parece más frío que el aire, aunque la temperatura sea la misma.

Con respecto a su segunda pregunta: el termómetro mostrará la misma temperatura. La única diferencia es el momento en que se alcanza el equilibrio térmico, es decir, cuando el termómetro marca la temperatura correcta.

Comentario final: la velocidad a la que el calor (energía) se drena de tu cuerpo determina si percibes un material como frío o no, incluso si la temperatura es la misma.

Como referencia, aquí hay una tabla que enumera las conductividades térmicas para varios materiales:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Por la noche agrego que hay dos componentes más: la capacidad calorífica del medio y su densidad que pueden influir en qué tan frío parece. A veces se analiza en términos de difusividad térmica.
Una versión TL; DR de esta respuesta es: nuestra piel mide la transferencia de energía en lugar de la temperatura.
Entonces, si tengo mucho calor en un día soleado de verano, ¿debería acostarme en una cama plateada a la sombra? ¡Dulce!
@Danu, creo que los receptores en realidad responden a la temperatura de los receptores , ya que la temperatura es uno de los factores determinantes de la velocidad y la intensidad de los procesos biológicos. Cuando tocas metal, la temperatura de los receptores baja rápidamente. Cuando tocas el aire, tu cuerpo es capaz de contrarrestar la pérdida de calor para que los receptores se mantengan cerca de su temperatura natural.
@DavidWilkins Estoy bastante seguro de que no será cómodo por mucho tiempo, ya que la piel sudorosa se pega al metal de una manera muy desagradable;)
@JarosławKomar tiene un muy buen punto: es por eso que puede sacar papel de aluminio del horno y no sufrir efectos nocivos, a pesar de su alta conductividad.
@frederic, ¿puedes comprobar que estás de acuerdo con mi edición? Me encantó la respuesta, pero quería descifrar el resumen. Dicho esto, es posible que haya usado un lenguaje impreciso que no es del todo correcto. Siéntase libre de corregirlo, ya que realmente quería "sugerir" una edición.
@Jaydles: ¡Está bien! Acabo de añadir una modificación menor.
Es bastante natural comenzar con una breve descripción general y luego ampliarla. No entiendo por qué agregar un ruido completamente inútil con un "tl; dr:" al principio ... - sí, muchas personas lo hacen, pero ¿por qué desperdiciar una buena respuesta? :-|
Nunca he entendido estas explicaciones; ¿Cómo puede algo medir el flujo de calor directamente? Si el comentario de @JánLalinský es correcto, creo que debería mencionarse para que la respuesta sea completa.
Por cierto, @Frederic: si tiene que hacer un montón de pequeñas correcciones, generalmente es mejor guardarlas para no editar la publicación muchas veces.

No estoy de acuerdo con la opinión de que tu piel puede medir la transferencia de calor. Solo puede medir la temperatura, o para ser más precisos: la temperatura de la superficie del cuerpo que está tocando. Ahora entra en juego la difusividad térmica: cuando toca una pieza de madera fría (baja difusividad térmica), transfiere calor a la madera, la capa límite de la madera se calienta y se siente cálida. Si, por el contrario, toca un bloque de acero frío (alta difusividad térmica), también transfiere calor, pero el calor se transporta rápidamente al interior del metal y, por lo tanto, la capa límite permanece fría.

Por la misma razón, el agua fría se siente más fría que el aire frío.

De hecho, esto se debe a una mayor transferencia de calor, pero la piel no lo mide directamente.

Yo diría que "medidas" deben entenderse como "reacciona de forma más o menos extrema a la transferencia de calor según la velocidad".
@FredericBrünner Esa es la definición de la palabra "medida". Y un sistema (piel o sensor técnico) no puede reaccionar directamente a un flujo de calor, sino sólo a su efecto, es decir, un cambio de temperatura. Un termómetro calentado mediría una temperatura diferente en el agua que en el aire, incluso cuando el agua y el aire tienen la misma temperatura. ¿También mide la transferencia de calor?
No estoy convencido de esta explicación, dado que un bloque de metal se sentirá más frío que uno de madera, incluso si lo tocas ligeramente durante una fracción de segundo. En una escala de tiempo tan corta, no espero que haya un cambio perceptible en la temperatura de la capa límite de casi ningún material.

En esencia, la transferencia de calor es lo que está midiendo tu cuerpo. Este video realmente da en el clavo de lo que te estás preguntando.

www.youtube.com/watch?v=vqDbMEdLiCs

Nuestro cuerpo detecta el flujo de calor de una fuente a un sumidero. Cuando la tasa de transferencia es mayor, el objeto se siente más frío/caliente. Los objetos aclimatados a su temperatura ambiente se sentirán más calientes o más fríos dependiendo de la conductividad térmica. Puede pensar en la temperatura como una especie de métrica absoluta.

Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más caliente o más frío se sentirá un objeto. Pero, la conductividad térmica sirve como multiplicador, por así decirlo. Un objeto de 70 grados que succione el mismo flujo de energía a través de las yemas de los dedos que un objeto de 30 grados tendría una conductividad térmica más alta. Esto significa que delta H sería el mismo para ambos objetos, incluso si T es diferente y delta T.

No medimos T, ni el cambio de T, sino solo el cambio de calor.

Las respuestas que existen solo para proporcionar un puntero a un recurso externo se definen como no respuestas. Lo que ha hecho aquí es un poco mejor que eso porque ha ofrecido una frase que resume las situaciones, pero es poco probable que la mayoría de los usuarios de Stack Exchange piensen mucho en una respuesta como esta. Physics SE busca ser un depósito de respuestas de calidad a preguntas de calidad, no una granja de enlaces.
No pensé que mi explicación sería mejor que el video en cuestión, pero lo incluiré de todos modos.

Es más complicado que la física de las transferencias de calor. Nuestras sensaciones táctiles son bastante extrañas.

Un ejemplo sería que los humanos pueden saborear "frío" y "frío" afecta otros gustos.

No hay suficiente investigación sobre los procesos. En la multitud de receptores cutáneos, tienes varios que se relacionan con la temperatura.

Un tipo de nocireceptores, que son responsables de estímulos "peligrosos", reaccionan a temperaturas extremas.

Los dos tipos de termorreceptores registran diferencias de frío y calor. Se ha demostrado que los receptores de frío también reaccionan a los estímulos de calor... También se encuentran más profundos en la capa dérmica, lo que sugiere que los estímulos de calor deben detectarse primero.

También hay bulbos de corpúsculos que se cree que son la forma en que sabe "frío".

Los termorreceptores en su lengua también podrían afectar el sabor de algo en relación con su temperatura. El gusto es aún más complicado ya que involucra al menos 3 sentidos "separados" y el hecho de que algunos químicos del gusto saben diferente a diferentes temperaturas. La fructosa favorece el estado de fructopiranosa sobre la fructofuranosa a temperaturas más bajas y sabe mucho más dulce que otros edulcorantes comunes.

Un termómetro mide la temperatura a través del equilibrio.

Noté que la gente mencionaba la conductividad, que es probablemente la mejor manera de explicarla para un pequeño rango de cambios de temperatura. Una vez que llegue a gradientes o extremos más grandes, dependerá de varios factores, incluido cuál se activa primero, segundo, tercero, en absoluto. Luego, debe considerar la inhibición lateral/temporal, los estados de polarización, los potenciales graduados, las puertas NT, etc. Finalmente, debe considerar si alguna de estas señales se propaga al cerebro y cómo interpreta el cerebro todo el desorden...

Está relacionado con la rapidez con la que el material puede transferir energía. Hay un nombre para eso, conductividad térmica.

Una cita de Wikipedia:

La transferencia de calor se produce a un ritmo mayor entre materiales de alta conductividad térmica que entre materiales de baja conductividad térmica. Correspondientemente, los materiales de alta conductividad térmica se usan ampliamente en aplicaciones de disipación de calor y los materiales de baja conductividad térmica se usan como aislamiento térmico. La conductividad térmica de los materiales depende de la temperatura. El recíproco de la conductividad térmica se llama resistividad térmica.

Aquí hay algunos recursos para usted:

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conductivity

Estos son trabajos relacionados con este tema. La efusividad térmica juega un papel muy importante en fenómenos transitorios como tocar un objeto durante un tiempo muy breve:

E Marín Conceptos de física térmica: El papel de la efusividad térmica The Physics Teacher 44, 432-434 Octubre 2006

E. Marín Enseñanza de la física térmica a través del tacto. Revista Latinoamericana de Educación Física 2, 1, 15-17 (2007)

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