¿Por qué mi mano no se quema con el aire en un horno a 200 °C?

Hay dos puntos relevantes para la discusión: el aire en sí transporta una cantidad muy pequeña de energía térmica y es un conductor térmico muy pobre.

Para el primer punto, creo que es interesante considerar el producto$\text{density} \times \text{specific heat}$, que es la cantidad de energía por unidad de volumen que se puede transferir por cada$\text{K}$de diferencia de temperatura. En orden de magnitudes, el calor específico es más o menos comparable, pero la densidad del aire es$10^3$veces menor que la densidad de un metal común; esto significa que para un volumen dado hay muchas menos "moléculas" de aire que pueden almacenar energía térmica que en un metal sólido y, por lo tanto, el aire tiene mucha menos energía térmica y no es suficiente para provocar un aumento peligroso de la temperatura.

La velocidad a la que se transfiere la energía a tu mano, es decir, el flujo de calor de los otros objetos (incluido el aire) a tu mano. En la misma cantidad de tiempo y superficie expuesta, tocar el aire o un objeto sólido hace que te transfieran una cantidad de energía muy diferente. La cantidad relevante a considerar es la conductividad térmica , que es la energía transferida por unidad de tiempo, superficie y diferencia de temperatura. Agregué esto para darle más visibilidad a su comentario; mi respuesta original sigue.

El aire es un conductor de calor muy pobre, la razón es que las moléculas están menos concentradas y menos interactuando entre sí, como conjeturó (esto no es muy preciso, pero en situaciones generales esta forma de pensar funciona). Por el contrario, los sólidos son en general mejores conductores: por eso no se debe tocar nada dentro del horno. Teniendo en cuenta el orden de magnitudes, según Wikipedia , el aire tiene una conductividad térmica$\lesssim 10^{-1} \ \text{W/(m K)}$, mientras que para los metales es superior al menos en dos órdenes de magnitud.

Realmente agradezco a Zephyr y al ingeniero químico por la información que aportaron a mi respuesta original, que era mucho más pobre pero obtuvo una fama inesperada.

mi primera conjetura fue: es la naturaleza del aire (es decir, un gas) que sus moléculas están más dispersas que las de un sólido.

Sí, pero puedes ir unos pasos más allá. La escasez de moléculas tiene dos consecuencias cruciales:

• Una capacidad calorífica baja, ya que hay pocas moléculas para almacenar energía cinética.

  El aire tiene una capacidad calorífica de aproximadamente$1\,\frac{\text{J}}{\text{gK}}$. Suponiendo que su horno es un$40\,\text{cm}$cubo, tu mano tendría que absorber una energía térmica de

  $$(0.4\,\text{m})^3 · 1\,\frac{\text{J}}{\text{gK}} · (200°\text{C}-37°\text{C}) · 1.2\frac{\text{kg}}{\text{m}^3} = 12.5\,\text{kJ}$$

  para enfriar este aire a la temperatura de tu cuerpo ($37°\text{C}$). Los sólidos tienen una capacidad calorífica por volumen mucho mayor. Por ejemplo, una pieza de hierro tendría que pesar$186\,\text{g}$para almacenar la misma energía (al calentar la temperatura corporal a$200°\text{C}$); eso es alrededor de cuatro cucharas. Ahora tocar una cuchara a esa temperatura te quemará, pero el calor se concentra en un volumen mucho menor.

• Una conductividad térmica baja, ya que hay menos interacción entre las moléculas. Sin embargo, a diferencia de los sólidos, los gases permiten la convección, lo que alivia un poco este efecto.

  La conductividad térmica pura (es decir, sin convección) del aire es de aproximadamente$0.26\frac{\text{W}}{\text{mK}}$, mientras que la del hierro ronda por ejemplo$80\frac{\text{W}}{\text{mK}}$. En general, los metales tienen una alta conductividad térmica, incluso en comparación con otros sólidos.

  Por otro lado, la convección, que es el principal contribuyente a la transferencia de calor en el aire, es más difícil de cuantificar.

Para quemarse la mano, debe transferirle una gran cantidad de calor en poco tiempo. Para esto, necesita tanto el calor como los medios para transferirlo. Una pieza de metal es mucho más adecuada para este propósito que un volumen de aire debido a las razones anteriores.

Las siguientes experiencias cotidianas también se deben a estos efectos u otros similares:

• Si corre desnudo a temperatura ambiente, usar zapatos o tener una alfombra puede afectar de manera crucial su comodidad, porque el piso es más efectivo para drenar el calor de su cuerpo que el aire que lo rodea.

• A temperatura ambiente (y por debajo), el metal se siente frío, porque drena el calor de su cuerpo más rápido que los sólidos normales o el aire.

• En verano, puede ser una mala idea tocar una pieza de metal que haya estado expuesta al sol, porque transfiere calor a tu cuerpo más rápido que el aire que te rodea y la mayoría de los demás objetos.

• No hay problema en tocar el papel para hornear de su horno, porque tiene poca masa/volumen/moléculas y, por lo tanto, no puede almacenar suficiente calor para quemarse la mano.

Tu mano no se quema porque su temperatura no es de 200°C. Si su mano permanece allí durante mucho tiempo, se quemará (es decir, la temperatura será alta). Así que toma tiempo calentar tu mano. Hay varios factores que puede considerar.

La transferencia de calor dominante es prácticamente la transferencia de calor por convección libre, que tiene una tasa de transferencia de calor baja. Se relaciona con la conductividad térmica, pero en realidad no lo es.

Tu mano no está seca pero tiene agua. Cuando se calienta, el agua se evapora. La evaporación toma calor y protege su mano. Si tu mano está mojada, es aún más seguro.

El efecto es el mismo que permanecer en una sauna seca en la que la temperatura del aire es de 100 grados centígrados. Mientras te quedes quieto, puedes permanecer en la sauna durante un tiempo considerable, porque el aire es un mal conductor del calor (poner tu cuerpo sobre un metal a la misma temperatura que en la sauna provocará casi de inmediato heridas ardientes). Pero en cuanto te vas a mover, no puedes permanecer demasiado tiempo en la sauna debido al transporte de calor por convección, que te calienta muy rápidamente. Intente mover las manos en el horno y sienta lo rápido que se calientan.

Puedes ver el mismo efecto en el aire muy frío que te rodea. Si no experimenta viento, puede permanecer bastante tiempo en el aire frío (incluso en un aire de menos 100 grados), nuevamente debido a la baja conductancia de calor de su piel al aire circundante. Pero cuando caminas en el aire frío durante una tormenta, la sensación térmica será tal que no podrás permanecer en el aire frío por mucho tiempo, debido al mismo transporte de calor por convección, que enfría tu piel mucho más rápido que por conducción de calor. solo.

Después de que el horno haya funcionado durante unos minutos, el horno y el aire en su interior alcanzan la temperatura deseada (supongamos que es de 200 °C, pero puede variar según la configuración). Sin embargo, para introducir la mano en el horno, deberá abrir la puerta. Al abrir la puerta, el aire caliente sale rápidamente. Entonces, el aire dentro del horno no puede alcanzar los 200 °C porque el aire es un mal conductor térmico y tarda en calentarse. Como tiene la puerta abierta, el interior del horno se llenará de aire frío a medida que el aire caliente sube y sale del horno. Por supuesto, todo esto supone que no cierras la puerta del horno con la mano adentro.

El aire que sale inmediatamente del horno al abrirlo tiene 200°C. Pero no puede estar en contacto con su mano por más de unos momentos ya que se eleva rápidamente. Esta es una forma abreviada de que el aire pueda transferir suficiente calor a tu mano para hacerte daño, pero no intentes esto en casa.

El aire no es muy buen conductor. Solo mira tu pastel como un ejemplo. ¡Si el aire fuera un buen conductor del calor, estarías comiendo pastel negro!

Tenga en cuenta que este efecto no es exclusivo del aire, sino que se puede observar con cualquier material que tenga baja conductividad térmica. Por ejemplo, aquí hay un tipo que sostiene un trozo de aerogel de color amarillo brillante (alrededor de 900 ° C) con la mano desnuda, recién salido del horno:

(tomado de este video de youtube).

Además de todas las buenas respuestas dadas, una cosa que no se menciona es que la mano está siendo enfriada activamente por, por ejemplo, la circulación de la sangre (y como saben los overclockers, la refrigeración líquida es superior en muchos aspectos). Como tal, es probable que la mano permanezca en el horno indefinidamente, ya que tiene la masa restante del cuerpo humano para descargar el calor.

Solo para ir un paso más allá: piense en el mismo experimento, pero ahora el horno está lleno de vapor de agua a 200C en lugar de aire.

La capacidad calorífica y la conductividad térmica del vapor de agua son tan malas como las del aire. ¡Pero aun así sufrirías quemaduras graves!

La diferencia es que el vapor de agua se condensaría en tu mano, liberando su calor latente.

Así que el aire caliente no te está quemando porque su capacidad calorífica es pequeña (se necesita poco calor para cambiar mucho su temperatura), porque su conductividad térmica es pequeña (el aire no conduce bien el calor de las paredes del horno a tu mano) y porque no cambia de estado al contacto de tu mano.

El aire no es lo suficientemente conductor del calor para transferir suficiente energía térmica en un tiempo lo suficientemente corto como para que se registre como particularmente doloroso. Sin embargo, intente mantener el brazo allí durante un poco más de tiempo y podría comenzar a ponerse demasiado crujiente para su gusto.