Učíme sa fyziku a učíme deti bez toho, aby sme opustili kuchyňu

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Každý deň trávime v kuchyni 1-2 hodiny. Niekto menej, niekto viac. Ako už bolo povedané, len zriedka premýšľame o fyzikálnych javoch, keď varíme raňajky, obed alebo večeru. Ale nemôže byť ich väčšia koncentrácia v každodenných podmienkach ako v kuchyni, v byte. Dobrá príležitosť vysvetliť deťom fyziku!

1. Difúzia

S týmto fenoménom sa v kuchyni stretávame neustále. Jeho názov je odvodený z latinského diffusio – interakcia, rozptyl, distribúcia.

Ide o proces vzájomného prenikania molekúl alebo atómov dvoch susediacich látok. Rýchlosť difúzie je úmerná ploche prierezu tela (objemu) a rozdielu v koncentráciách, teplotách zmiešaných látok. Ak je teplotný rozdiel, potom nastavuje smer šírenia (gradient) - od horúceho po studený. Výsledkom je spontánne zarovnanie koncentrácií molekúl alebo atómov.

Tento jav možno pozorovať v kuchyni pri šírení pachov. Vďaka šíreniu plynov, sedeniu v inej miestnosti, môžete pochopiť, čo sa varí. Ako iste viete, zemný plyn je bez zápachu a pridáva sa doň aditívum, ktoré uľahčí odhalenie úniku domáceho plynu.

Odorant, ako je etylmerkaptán, dodáva štipľavý zápach. Ak sa horák nezapáli na prvý raz, potom cítime špecifický zápach, ktorý z detstva poznáme ako vôňu plynu v domácnosti.

A ak do vriacej vody hodíte zrnká čaju alebo čajové vrecúško a nebudete miešať, uvidíte, ako sa čajový nálev roztečie v objeme čistej vody.

Ide o difúziu tekutín. Príkladom difúzie v pevnej látke je solenie paradajok, uhoriek, húb alebo kapusty. Kryštály soli vo vode sa rozkladajú na ióny Na a Cl, ktoré sa chaoticky pohybujú a prenikajú medzi molekuly látok v zložení zeleniny alebo húb.

2. Zmena stavu agregácie

Málokto z nás si všimol, že v ľavom pohári vody sa po niekoľkých dňoch pri izbovej teplote vyparí rovnaká časť vody ako pri varení 1-2 minúty. A keď zmrazíme jedlo alebo vodu na kocky ľadu v chladničke, nemyslíme na to, ako sa to stane.

Medzitým sú tieto najbežnejšie a najbežnejšie kuchynské javy ľahko vysvetlené. Kvapalina má prechodný stav medzi pevnými látkami a plynmi.

Pri iných teplotách ako pri teplote varu alebo mrazu nie sú príťažlivé sily medzi molekulami v kvapaline také silné alebo slabé ako v pevných látkach a plynoch. Preto napríklad iba prijímaním energie (zo slnečných lúčov, molekúl vzduchu pri izbovej teplote) molekuly kvapaliny z otvoreného povrchu postupne prechádzajú do plynnej fázy, čím vzniká tlak pár nad povrchom kvapaliny.

Rýchlosť odparovania sa zvyšuje so zväčšením povrchu kvapaliny, zvýšením teploty a znížením vonkajšieho tlaku. Ak sa teplota zvýši, potom tlak pár tejto kvapaliny dosiahne vonkajší tlak. Teplota, pri ktorej k tomu dochádza, sa nazýva bod varu. Bod varu klesá s klesajúcim vonkajším tlakom. Preto v horských oblastiach voda vrie rýchlejšie.

Naopak, keď teplota klesne, molekuly vody stratia svoju kinetickú energiu na úroveň príťažlivých síl medzi sebou. Už sa nepohybujú chaoticky, čo umožňuje vytvorenie kryštálovej mriežky podobnej mriežke pevných látok. Teplota 0 °C, pri ktorej k tomu dochádza, sa nazýva bod mrazu vody.

Pri zamrznutí voda expanduje. Veľa ľudí sa s týmto javom mohlo zoznámiť, keď plastovú fľašu s nápojom vložili do mrazničky na rýchle schladenie a zabudli na to a fľaša potom praskla. Pri ochladení na teplotu 4 °C sa najskôr pozoruje zvýšenie hustoty vody, pri ktorej sa dosiahne jej maximálna hustota a minimálny objem. Potom pri teplotách od 4 do 0 ° C dochádza k preskupeniu väzieb v molekule vody a jej štruktúra sa stáva menej hustou.

Pri teplote 0 °C sa kvapalná fáza vody mení na tuhú. Po úplnom zamrznutí vody a jej premene na ľad sa jej objem zväčší o 8,4 %, čo vedie k prasknutiu plastovej fľaše. Obsah tekutín v mnohých výrobkoch je nízky, takže pri zmrazení nezväčšujú objem tak výrazne.

3. Absorpcia a adsorpcia

Tieto dva takmer neoddeliteľné javy, nazývané z latinského sorbeo (absorbovať), pozorujeme napríklad pri ohrievaní vody v kanvici alebo hrnci. Plyn, ktorý chemicky nepôsobí na kvapalinu, môže byť pri kontakte s kvapalinou absorbovaný. Tento jav sa nazýva absorpcia.

Keď sú plyny absorbované pevnými jemnozrnnými alebo poréznymi telesami, väčšina z nich sa husto hromadí a zadržiavajú sa na povrchu pórov alebo zŕn a nie sú distribuované v celom objeme. V tomto prípade sa proces nazýva adsorpcia. Tieto javy možno pozorovať pri varení vody – bublinky sa pri zahrievaní oddeľujú od stien hrnca alebo kanvice.

Vzduch uvoľnený z vody obsahuje 63 % dusíka a 36 % kyslíka. Vo všeobecnosti atmosférický vzduch obsahuje 78 % dusíka a 21 % kyslíka.

Kuchynská soľ v nezakrytej nádobe môže zvlhnúť kvôli jej hygroskopickým vlastnostiam – absorpcii vodnej pary zo vzduchu. A sóda bikarbóna po vložení do chladničky pôsobí ako adsorbent na odstránenie pachov.

4. Prejav Archimedovho zákona

Keď sme pripravení uvariť kura, naplníme hrniec vodou asi do polovice alebo ¾, v závislosti od veľkosti kurčaťa. Ponorením jatočného tela do hrnca s vodou si všimneme, že hmotnosť kurčaťa vo vode sa výrazne zníži a voda stúpa k okrajom hrnca.

Tento jav sa vysvetľuje vztlakovou silou alebo Archimedovým zákonom. V tomto prípade na teleso ponorené v kvapaline pôsobí vztlaková sila rovnajúca sa hmotnosti kvapaliny v objeme ponorenej časti telesa. Táto sila sa nazýva sila Archimedes, rovnako ako samotný zákon, ktorý vysvetľuje tento jav.

5. Povrchové napätie

Mnoho ľudí si pamätá pokusy s filmami kvapalín, ktoré sa premietali na hodinách fyziky v škole. Malý drôtený rám s jednou pohyblivou stranou bol ponorený do mydlovej vody a potom vytiahnutý. Sily povrchového napätia vo fólii vytvorenej po obvode zdvihli spodnú pohyblivú časť rámu. Aby bol nehybný, pri opakovaní experimentu naň zavesili závažie.

Tento jav možno pozorovať v cedníku – po použití zostáva voda v otvoroch na dne tohto kuchynského náčinia. Rovnaký jav možno pozorovať aj po umytí vidličiek – na vnútornej ploche medzi niektorými zubami sú tiež pruhy vody.

Fyzika kvapalín vysvetľuje tento jav takto: molekuly kvapalín sú tak blízko seba, že príťažlivé sily medzi nimi vytvárajú povrchové napätie v rovine voľného povrchu. Ak je sila príťažlivosti molekúl vody tekutého filmu slabšia ako sila príťažlivosti k povrchu cedníka, vodný film sa zlomí.

Tiež sily povrchového napätia sú badateľné, keď do hrnca s vodou nasypeme obilniny alebo hrášok, fazuľu alebo pridáme okrúhle zrnká korenia. Niektoré zrná zostanú na povrchu vody, zatiaľ čo väčšina klesne na dno pod váhou zvyšku. Ak na plávajúce zrná zľahka zatlačíte špičkou prsta alebo lyžice, prekonajú povrchové napätie vody a klesnú ku dnu.

6. Vlhčenie a roztieranie

Rozliata tekutina môže vytvoriť malé škvrny na sporáku potiahnutom tukom a jednu kaluž na stole. Ide o to, že molekuly kvapaliny sú v prvom prípade viac priťahované k sebe ako k povrchu dosky, kde je mastný film nezmáčaný vodou a na čistom stole sa molekuly vody priťahujú k molekulám povrch stola je vyšší ako vzájomná príťažlivosť molekúl vody. V dôsledku toho sa mláka šíri.

Tento jav súvisí aj s fyzikou kvapalín a súvisí s povrchovým napätím. Ako viete, mydlová bublina alebo kvapôčky kvapaliny majú sférický tvar v dôsledku síl povrchového napätia.

V kvapôčke sa molekuly kvapaliny k sebe priťahujú silnejšie ako molekuly plynu a majú tendenciu prenikať do vnútra kvapôčky kvapaliny, čím sa zmenšuje jej povrch. Ak však existuje pevný zmáčaný povrch, potom sa časť kvapky pri kontakte natiahne pozdĺž neho, pretože molekuly pevnej látky priťahujú molekuly kvapaliny a táto sila prevyšuje silu príťažlivosti medzi molekulami kvapaliny..

Stupeň zmáčania a šírenia po pevnom povrchu bude závisieť od toho, ktorá sila je väčšia - sila príťažlivosti molekúl kvapaliny a molekúl pevnej látky medzi sebou alebo sila príťažlivosti molekúl vo vnútri kvapaliny.

Od roku 1938 sa tento fyzikálny jav vo veľkej miere využíva v priemysle, pri výrobe domácich potrieb, kedy sa v laboratóriu DuPont syntetizoval teflónový (polytetrafluóretylénový) materiál.

Jeho vlastnosti sa využívajú nielen pri výrobe nepriľnavého riadu, ale aj pri výrobe nepremokavých, vodoodpudivých látok a poťahov na odevy a obuv. Teflón je uznaný Guinessovou knihou rekordov ako najšmykľavejšia látka na svete. Má veľmi nízke povrchové napätie a priľnavosť (lepivosť), nezmáča sa vodou, mastnotou ani mnohými organickými rozpúšťadlami.

7. Tepelná vodivosť

Jedným z najčastejších javov v kuchyni, ktorý môžeme pozorovať, je ohrievanie rýchlovarnej kanvice alebo vody v hrnci. Tepelná vodivosť je prenos tepla pohybom častíc pri rozdiele (spáde) teplôt. Medzi typy tepelnej vodivosti patrí aj konvekcia.

V prípade identických látok je tepelná vodivosť kvapalín nižšia ako u pevných látok a vyššia ako u plynov. Tepelná vodivosť plynov a kovov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a kvapalín klesá. Neustále sa stretávame s konvekciou, či už miešame polievku alebo čaj lyžičkou, alebo otvárame okno, či zapíname ventiláciu, aby sme vyvetrali kuchyňu.

Konvekcia - z latinského convectiō (prenos) - druh prenosu tepla, keď sa vnútorná energia plynu alebo kvapaliny prenáša prúdmi a prúdmi. Rozlišujte medzi prirodzenou a nútenou konvekciou. V prvom prípade sa pri zahrievaní alebo ochladzovaní miešajú vrstvy kvapaliny alebo vzduchu. A v druhom prípade dochádza k mechanickému miešaniu kvapaliny alebo plynu - lyžičkou, ventilátorom alebo iným spôsobom.

8. Elektromagnetické žiarenie

Mikrovlnná rúra sa niekedy nazýva mikrovlnná rúra alebo mikrovlnná rúra. Hlavným prvkom každej mikrovlnnej rúry je magnetrón, ktorý premieňa elektrickú energiu na mikrovlnné elektromagnetické žiarenie s frekvenciou až 2,45 gigahertzov (GHz). Žiarenie ohrieva jedlo interakciou s jeho molekulami.

Produkty obsahujú dipólové molekuly obsahujúce kladné elektrické a záporné náboje na ich protiľahlých častiach.

Sú to molekuly tukov, cukru, ale najviac dipólové molekuly sú vo vode, ktorá sa nachádza takmer v každom produkte. Mikrovlnné pole, ktoré neustále mení svoj smer, spôsobuje, že molekuly vibrujú s vysokou frekvenciou, ktoré sa zoradia pozdĺž siločiar, takže všetky kladne nabité časti molekúl "pozerajú" jedným alebo druhým smerom. Vzniká molekulárne trenie, uvoľňuje sa energia, ktorá ohrieva jedlo.

9. Indukcia

V kuchyni čoraz častejšie nájdete indukčné sporáky, ktoré sú založené na tomto fenoméne. Anglický fyzik Michael Faraday objavil elektromagnetickú indukciu v roku 1831 a odvtedy si bez nej už nevieme predstaviť náš život.

Faraday objavil výskyt elektrického prúdu v uzavretej slučke v dôsledku zmeny magnetického toku prechádzajúceho touto slučkou. Školský zážitok je známy, keď sa plochý magnet pohybuje vo vnútri špirálovitého obvodu drôtu (solenoidu) a objaví sa v ňom elektrický prúd. Existuje aj opačný proces - striedavý elektrický prúd v solenoide (cievke) vytvára striedavé magnetické pole.

Na rovnakom princípe funguje aj moderný indukčný varič. Pod sklokeramickým výhrevným panelom (neutrálnym voči elektromagnetickým osciláciám) takejto kachle je indukčná cievka, cez ktorú preteká elektrický prúd s frekvenciou 20-60 kHz a vytvára striedavé magnetické pole, ktoré indukuje vírivé prúdy v tenkej vrstve. (vrstva kože) dna kovovej misky.

Elektrický odpor ohrieva riad. Tieto prúdy nie sú o nič nebezpečnejšie ako rozžeravené jedlá na bežných sporákoch. Kuchynský riad by mal byť oceľový alebo liatinový s feromagnetickými vlastnosťami (priťahuje magnet).

10. Lom svetla

Uhol dopadu svetla sa rovná uhlu odrazu a šírenie prirodzeného svetla alebo svetla z lámp sa vysvetľuje dvojitým vlnovo-časticovým charakterom: na jednej strane sú to elektromagnetické vlny a na druhej strane, častice-fotóny, ktoré sa pohybujú maximálnou možnou rýchlosťou vo vesmíre.

V kuchyni môžete pozorovať taký optický jav, akým je lom svetla. Napríklad, keď je na kuchynskom stole priehľadná váza s kvetmi, zdá sa, že stonky vo vode sa posúvajú na hranici vodnej hladiny vzhľadom na ich pokračovanie mimo kvapaliny. Faktom je, že voda, podobne ako šošovka, láme lúče svetla odrazené od stoniek vo váze.

Podobná vec je pozorovaná v priehľadnom pohári čaju, v ktorom je ponorená lyžica. Môžete tiež vidieť zdeformovaný a zväčšený obraz fazule alebo obilnín na dne hlbokého hrnca s čistou vodou.