¿Por qué los cuerpos pierden calor más rápido en el agua que en el aire?

Una pregunta sencilla. En varios lugares, incluido este periódico muy reciente y ya famoso

http://www.sciencemag.org/content/348/6236/786.short

se afirma que los cuerpos pierden calor en el agua muy rápido debido a la gran capacidad calorífica del agua. No entiendo por qué la capacidad calorífica es relevante para la tasa de pérdida de calor. ¿Por qué importa si la temperatura del aire a mi alrededor aumenta más rápido que la del agua? A menos que esté usando ropa, ese aire caliente desaparecerá debido a la convección de todos modos y será reemplazado constantemente por aire nuevo y frío.

Mi explicación ingenua de esto sería que perdemos calor más rápido en el agua porque estamos hechos esencialmente de agua y, cuando estamos sumergidos, el calor se transfiere simplemente por conducción. Perdemos calor rápido porque la conductividad térmica del agua es grande.

Entonces, ¿la capacidad calorífica de un fluido influye significativamente en la tasa de pérdida de calor de un cuerpo sumergido en él?

Respuestas (2)

El flujo de calor (por unidad de área) a través de una capa delgada, por ejemplo, una capa límite de agua, viene dado por:

d q d t = k Δ T d

dónde k es la conductividad térmica, d es el espesor de la capa y Δ T es la diferencia de temperatura entre los dos lados de la capa.

Entonces, una alta conductividad térmica significa de hecho una alta tasa de flujo de calor. Pero a medida que su cuerpo pierde calor, ese calor se utiliza para calentar el agua. Si el agua tuviera un calor específico bajo, se calentaría rápidamente y rápidamente estarías rodeado por una capa de agua a la temperatura de tu cuerpo. Esta capa de agua actuaría entonces como aislante.

En el contexto de la ecuación anterior, un calor específico bajo significa Δ T reduce rápidamente con el tiempo y eso reduce el flujo de calor. Por el contrario, un calor específico alto significa que se necesita mucho calor de su cuerpo para calentar el agua, y eso tiende a mantener Δ T en un valor alto.

Entonces, si bien tiene razón en que la alta conductividad térmica es un factor importante en la pérdida de calor hacia el agua, también lo es el alto calor específico del agua.

Pero, ¿no hay también corrientes convectivas que aseguran que tengo una capa de agua (o aire) relativamente fría todo el tiempo a mi alrededor? Si el aire que me rodea alcanza mi temperatura, ¿no ascenderá simplemente y le dará su lugar al aire frío?
@silbidos: sí, pero la cantidad de calor que pueden llevar esas corrientes depende en parte del calor específico. Si el calor específico es muy bajo, la corriente se calienta rápidamente a la temperatura de su cuerpo sin eliminar mucho calor.
Entonces, quiere decir que un depósito tibio a temperatura T , colocado en digamos aire frío a temperatura T A , en realidad no crea una corriente convectiva lo suficientemente fuerte para valores relativamente grandes de Δ T . Por lo tanto, a pesar de que el aire alrededor del depósito se reemplaza lentamente, su temperatura promedio se estabiliza en un valor significativamente más alto que T A . Por otro lado, en el agua se necesita mucho más tiempo para calentar el agua alrededor del depósito y, por lo tanto, incluso una convección bastante lenta es suficiente para mantenerla bastante fría. ¿Es asi?
@silbatos: Sí, creo que es una forma razonable de decirlo.

Entonces, ¿sería esta una explicación precisa? El proceso de transferencia de calor al aire y al agua es por conducción y ocurre continuamente, asumiendo que no se alcanzará un equilibrio térmico, debido a sus propiedades convectivas (a medida que el aire o el agua se calientan, es reemplazado por aire más frío o agua). Además, aunque ambos son malos conductores, el agua es peor que el aire. Basado en estos hechos, parecería que el cuerpo debería perder calor más rápido al aire. El agua, sin embargo, tiene una mayor capacidad calorífica que el aire lo que, en esencia, significa que "absorbe" el calor mejor que el aire. Aunque el calor se pierde más rápido en el agua porque, aunque la tasa de transferencia de calor al aire es más rápida que al agua, la "cantidad" de calor transferida al agua es mayor que la del aire. En última instancia, con respecto a su efecto en el cuerpo,

esa respuesta no es muy clara
¿Por qué los cuerpos pierden calor más rápido en el agua que en el aire?
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