Wärmelehre und Thermodynamik

Vermutung über das Ergebnis

In beiden Schüsseln befindet sich das gleiche Volumen an Wasser. Die Dichte des Wassers ist abhängig von der Temperatur, allerdings ist der Unterschied auf Grund der geringen Temperaturdifferenz vernachlässigbar und wird sich im Bereich der Meßungenauigkeiten bewegen.
Die Umgebungstemperatur lag bei 18 °C und damit unter der Temperatur beider Flüssigkeiten. Auf Grund der geringen Versuchszeit ist auch diese Meßungenauigkeit vernachlässigbar.
Ich vermute: Wenn man 2 gleichgroße Massen der gleichen Flüssigkeiten in Kontakt bringt, sei es durch Vermischung oder durch Trennung durch dünnes Metall, wird sich die Temperatur schnell angleichen.

( 20°C + 47,5°C ) / 2 = 33,75 °C

tatsächliches Ergebnis

Die Messung ergibt nach 10 Minuten 31,6°C.

Dieses Ergebnis entspricht der Erwartung. Die geringe Umgebungstemperatur, die unterschiedliche Dichte, die größere Masse und Oberfläche der größeren (kälteren) Schlüssel erklären die Abweichung.
Außerdem nimmt der Wärmeaustausch für die innere Metallschüssel mit sinkender Temperaturdifferenz ab.
Das ist auch das Funktionsprinzip des Wärmetauschers im Kraftwerk:
Wärmetauscher im Kernkraftwerk
Vorbereitung: 51,9 °C
Tassse

ungekühlte Tasse: 45,5 °C
Ungekühlt

Tasse mit Löffeln 50,1 °C
Löffel

gepustete Tasse 43,6 °C
Pusten

Wir füllen 3 vorgewärmte Tassen mit etwa der gleichen Menge Wasser und einer Temperatur von 51,9 °C.
Temperaturen messen wir mit einem elektronischen Küchenthermometer, welches auf ein Zehntel °C genau misst und sehr schnell in der Messung ist. Ein elektronisches kontaktloses Fieberthermometer ist dafür nicht geeignet, weil dieses den Messbereich von 60 °C (Tee im trinkbaren Bereich) nicht abdecken kann.
Eine dieser Tassen (weiße Tasse) kühlen wir gar nicht.
Die grüne Tasse kühlen wir durch Einlegen von zwei Stahllöffeln mit der Umgebungstemperatur von etwa 18 °C.
Die dritte Tasse kühlen wir durch kräftiges Pusten. Dabei wird die ausgestoßene Luft etwa Körpertemperatur (36 °C) haben.

Ergebnis:

Alle Tassen haben sich während der Messzeit, wie erwartet abgekühlt.
Am meisten konnte sich die Tasse durch Pusten, gefolgt von der ungekühlten Tasse abkühlen. Interessanterweise hat sich die Tasse mit den (Stahl-) Löffeln fast gar nicht abgekühlt.

Vermutung:

Die Tassen sind von verschiedener Bauart. Es ist denkbar, dass die Dicke der Tassenwand eine wesentliche Rolle spielen. Die in der Mitte stehende Tasse mit Löffeln könnte durch die anderen Beiden Tassen beeinflusst werden.
Es handelt sich um Stahllöffeln, welche eine deutlich geringere spezifische Wärmekapazität als Wasser oder Aluminium besitzen.
Es kann sehr sinnvoll sein, diesen Versuch mehrmals unter kontrollierten Bedingungen (gleiche Tassen) zu wiederholen, um Mess- und systematische Fehler zu erkennen.