Вода разлитая ровноым слоем остывать будет с одинаковой скоростью независимо от размеров лужи. Остывает она вообще за счет теплообмена с воздухом.
За время T чай так или иначе отдаст какое-то кол-во тепла, хоть ты его оставь в этой чашке, хоть разбавь половину с молоком. Задача сводится к вопросу, в каком случае он отдаст тепла больше. Интенсивность теплообмена, как я понимаю, в идеальном случае зависит от площади поверхности чашки, а реально - через саму чашку также выделяется тепло. Если площадь поверхности увеличится, то и остывать будет быстрее.