Fizikos mokomės ir vaikus mokome neišeidami iš virtuvės

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Kasdien virtuvėje praleidžiame 1-2 valandas. Kažkas mažiau, kažkas daugiau. Be to, mes retai galvojame apie fizinius reiškinius, kai gaminame pusryčius, pietus ar vakarienę. Bet didesnės jų koncentracijos kasdieninėmis sąlygomis nei virtuvėje, bute negali būti. Puiki proga paaiškinti vaikams fiziką!

1. Difuzija

Su šiuo reiškiniu virtuvėje susiduriame nuolat. Jo pavadinimas kilęs iš lotynų kalbos diffusio – sąveika, sklaida, paskirstymas.

Tai yra dviejų gretimų medžiagų molekulių ar atomų tarpusavio prasiskverbimo procesas. Sklaidos greitis yra proporcingas kūno skerspjūvio plotui (tūriui), mišrių medžiagų koncentracijų, temperatūrų skirtumui. Jei yra temperatūrų skirtumas, tada jis nustato sklidimo kryptį (gradientą) - nuo karštos iki šaltos. Dėl to įvyksta spontaniškas molekulių ar atomų koncentracijų suderinimas.

Šį reiškinį galima pastebėti virtuvėje, kai sklinda kvapai. Dujų sklaidos dėka, sėdėdamas kitame kambaryje, supranti, ką gamina. Kaip žinia, gamtinės dujos yra bekvapės ir į jas dedama priedo, kad būtų lengviau aptikti buitinių dujų nuotėkį.

Kvapioji medžiaga, tokia kaip etilo merkaptanas, suteikia aštrų kvapą. Jei degiklis neužsidega pirmą kartą, tuomet galime užuosti specifinį kvapą, kurį nuo vaikystės žinome kaip buitinių dujų kvapą.

O arbatos grūdelius ar arbatos pakelį įmetus į verdantį vandenį ir nepamaišius, pamatysite, kaip arbatos užpilas pasiskirsto gryno vandens tūryje.

Tai yra skysčių difuzija. Difuzijos kietoje medžiagoje pavyzdys būtų pomidorų, agurkų, grybų ar kopūstų sūdymas. Druskos kristalai vandenyje skyla į Na ir Cl jonus, kurie chaotiškai judėdami prasiskverbia tarp daržovių ar grybų sudėtyje esančių medžiagų molekulių.

2. Agregacijos būsenos pasikeitimas

Retas pastebėjome, kad paliktoje vandens stiklinėje po kelių dienų kambario temperatūroje išgaruoja ta pati vandens dalis, kaip ir verdant 1-2 minutes. O kai šaldytuve užšaldome maistą ar vandenį ledo kubeliams, negalvojame, kaip tai atsitiks.

Tuo tarpu šie dažniausiai ir dažniausiai pasitaikantys virtuvės reiškiniai yra nesunkiai paaiškinami. Skystis turi tarpinę būseną tarp kietųjų medžiagų ir dujų.

Esant kitokiai nei virimo ar užšalimo temperatūrai, skysčio molekulių traukos jėgos nėra tokios stiprios ar silpnos kaip kietose medžiagose ir dujose. Todėl, pavyzdžiui, tik gaudamos energiją (iš saulės spindulių, oro molekulių kambario temperatūroje), skystos molekulės iš atviro paviršiaus palaipsniui pereina į dujų fazę, sukurdamos garų slėgį virš skysčio paviršiaus.

Garavimo greitis didėja didėjant skysčio paviršiaus plotui, kylant temperatūrai ir mažėjant išoriniam slėgiui. Jei temperatūra pakyla, tada šio skysčio garų slėgis pasiekia išorinį slėgį. Temperatūra, kurioje tai vyksta, vadinama virimo temperatūra. Virimo temperatūra mažėja mažėjant išoriniam slėgiui. Todėl kalnuotose vietovėse vanduo užverda greičiau.

Ir atvirkščiai, nukritus temperatūrai, vandens molekulės praranda kinetinę energiją iki traukos jėgų tarp savęs lygio. Jie nebejuda chaotiškai, o tai leidžia susidaryti kristalinei gardelei, panašiai kaip kietosios medžiagos. 0 ° C temperatūra, kuriai esant tai įvyksta, vadinama vandens užšalimo tašku.

Užšalęs vanduo plečiasi. Daugelis žmonių galėjo susipažinti su šiuo reiškiniu, kai į šaldiklį įdėjo plastikinį butelį su gėrimu greitam atvėsinimui ir pamiršo, o tada butelis sprogo. Atvėsus iki 4 ° C temperatūros, pirmiausia pastebimas vandens tankio padidėjimas, kai pasiekiamas didžiausias jo tankis ir minimalus tūris. Tada, esant temperatūrai nuo 4 iki 0 ° C, vandens molekulėje įvyksta jungčių persitvarkymas ir jos struktūra tampa ne tokia tanki.

Esant 0 ° C temperatūrai, skystoji vandens fazė pasikeičia į kietą. Po to, kai vanduo visiškai užšąla ir virsta ledu, jo tūris padidėja 8,4%, todėl plastikinis butelis sprogsta. Skysčių kiekis daugelyje produktų yra mažas, todėl užšaldžius jų tūris nepadidėja taip pastebimai.

3. Absorbcija ir adsorbcija

Šie du beveik neatsiejami reiškiniai, vadinami iš lotyniško sorbeo (sugerti), pastebimi, pavyzdžiui, kaitinant vandenį virdulyje ar puode. Dujos, kurios chemiškai neveikia skysčio, vis dėlto gali būti absorbuojamos, kai liečiasi su juo. Šis reiškinys vadinamas absorbcija.

Kai dujas sugeria kieti smulkiagrūdžiai arba porėti kūnai, dauguma jų tankiai kaupiasi ir laikosi porų ar grūdelių paviršiuje ir nepasiskirsto visame tūryje. Šiuo atveju procesas vadinamas adsorbcija. Šiuos reiškinius galima pastebėti verdant vandenį – kaitinant nuo puodo ar virdulio sienelių atsiskiria burbuliukai.

Iš vandens išsiskiriančiame ore yra 63 % azoto ir 36 % deguonies. Apskritai atmosferos ore yra 78% azoto ir 21% deguonies.

Valgomoji druska neuždengtame inde gali sušlapti dėl savo higroskopinių savybių – vandens garų sugėrimo iš oro. O kepimo soda veikia kaip adsorbentas, kai dedama į šaldytuvą, kad pašalintų kvapus.

4. Archimedo dėsnio pasireiškimas

Kai ruošiame kepti vištieną, į puodą įpilame vandens apie pusę arba ¾, priklausomai nuo vištienos dydžio. Panardinę skerdeną į puodą su vandeniu, pastebime, kad vištienos svoris vandenyje pastebimai sumažėja, vanduo pakyla iki puodo kraštų.

Šis reiškinys paaiškinamas plūdrumo jėga arba Archimedo dėsniu. Šiuo atveju į skystį panardintą kūną veikia plūduriuojanti jėga, lygi skysčio svoriui panardintos kūno dalies tūryje. Ši jėga vadinama Archimedo jėga, kaip ir pats dėsnis, kuris paaiškina šį reiškinį.

5. Paviršiaus įtempimas

Daugelis prisimena eksperimentus su skysčių filmais, kurie buvo rodomi mokykloje per fizikos pamokas. Mažas vielinis rėmas su viena judančia puse buvo panardintas į muiluotą vandenį ir ištrauktas. Perimetru susidariusios plėvelės paviršiaus įtempimo jėgos pakėlė apatinę judančią rėmo dalį. Kad jis nejudėtų, pakartojant eksperimentą ant jo buvo pakabintas svoris.

Šį reiškinį galima pastebėti kiaurasamtyje – po naudojimo šių virtuvės reikmenų dugne esančiose skylutėse lieka vandens. Tą patį reiškinį galima pastebėti ir po šakių plovimo – vidiniame paviršiuje tarp kai kurių dantų taip pat atsiranda vandens dryžių.

Skysčių fizika šį reiškinį paaiškina taip: skysčio molekulės yra taip arti viena kitos, kad tarp jų veikiančios traukos jėgos sukuria paviršiaus įtempimą laisvojo paviršiaus plokštumoje. Jei skystos plėvelės vandens molekulių traukos jėga yra silpnesnė už kiaurasamčio paviršiaus traukos jėgą, vandens plėvelė nutrūksta.

Taip pat paviršiaus įtempimo jėgos pastebimos, kai į puodą su vandeniu suberiame grūdus ar žirnius, pupeles arba įberiame apvalių pipirų grūdelių. Kai kurie grūdai liks vandens paviršiuje, o dauguma nugrims į dugną nuo likusių masės. Jei piršto galiuku ar šaukštu lengvai paspausite plaukiojančius grūdelius, jie įveiks vandens paviršiaus įtempimą ir nusės į dugną.

6. Drėkinimas ir barstymas

Išsiliejus skysčiui ant riebalais išteptos viryklės gali susidaryti smulkių dėmių, o ant stalo – viena bala. Reikalas tas, kad pirmuoju atveju skystos molekulės labiau traukia viena kitą, o ne plokštės paviršių, kur yra riebalinė plėvelė, nesudrėkinta vandens, o ant švaraus stalo vandens molekulės pritraukiamos į lėkštės molekules. stalo paviršius yra didesnis nei vandens molekulių trauka viena prie kitos. Dėl to bala plinta.

Šis reiškinys taip pat yra susijęs su skysčių fizika ir yra susijęs su paviršiaus įtempimu. Kaip žinote, muilo burbulas arba skysčio lašeliai dėl paviršiaus įtempimo jėgų turi sferinę formą.

Lašelyje skystos molekulės viena kitą traukia stipriau nei dujų molekulės ir linksta į skysčio lašelio vidų, sumažindamos jo paviršiaus plotą. Bet jei yra kietas sudrėkintas paviršius, tai dalis lašo kontakto metu ištempiama išilgai jo, nes kietosios medžiagos molekulės traukia skysčio molekules, o ši jėga viršija traukos jėgą tarp skysčio molekulių..

Drėkinimo ir plitimo per kietą paviršių laipsnis priklausys nuo to, kuri jėga yra didesnė - skysčio ir kietos medžiagos molekulių traukos jėga ar molekulių traukos jėga skysčio viduje.

Nuo 1938 metų šis fizikinis reiškinys plačiai naudojamas pramonėje, namų apyvokos prekių gamyboje, kai DuPont laboratorijoje buvo susintetinta teflono (politetrafluoretileno) medžiaga.

Jo savybės naudojamos ne tik gaminant nepridegančius indus, bet ir gaminant vandeniui atsparius, vandenį atstumiančius audinius bei drabužių ir batų dangas. Teflonas yra pripažintas Gineso rekordų knygoje kaip slidžiausia medžiaga pasaulyje. Jis turi labai mažą paviršiaus įtempimą ir sukibimą (limpa), nėra sudrėkintas vandeniu, riebalais ar daugeliu organinių tirpiklių.

7. Šilumos laidumas

Vienas iš labiausiai paplitusių reiškinių virtuvėje, kurį galime stebėti, yra virdulio ar vandens kaitinimas puode. Šilumos laidumas – tai šilumos perdavimas dalelėms judant, kai yra temperatūros skirtumas (gradientas). Tarp šilumos laidumo tipų taip pat yra konvekcija.

Identiškų medžiagų atveju skysčių šilumos laidumas yra mažesnis nei kietųjų medžiagų ir didesnis nei dujų. Didėjant temperatūrai didėja dujų ir metalų šilumos laidumas, mažėja skysčių. Su konvekcija susiduriame nuolat, nesvarbu, ar šaukštu maišome sriubą ar arbatą, ar atidarome langą, ar įjungiame ventiliaciją, kad išvėdintume virtuvę.

Konvekcija – iš lotynų kalbos convectiō (perdavimas) – šilumos perdavimo būdas, kai vidinė dujų ar skysčio energija perduodama srovėmis ir srautais. Atskirkite natūralią konvekciją ir priverstinę. Pirmuoju atveju skysčio arba oro sluoksniai patys susimaišo kaitinant arba vėsinant. O antruoju atveju vyksta mechaninis skysčio ar dujų maišymas – šaukštu, ventiliatoriumi ar kitu būdu.

8. Elektromagnetinė spinduliuotė

Mikrobangų krosnelė kartais vadinama mikrobangų krosnele arba mikrobangų krosnele. Pagrindinis kiekvienos mikrobangų krosnelės elementas yra magnetronas, paverčiantis elektros energiją į mikrobangų elektromagnetinę spinduliuotę, kurios dažnis siekia iki 2,45 gigahercų (GHz). Spinduliuotė šildo maistą sąveikaudama su jo molekulėmis.

Produktuose yra dipolių molekulių, kurių priešingose dalyse yra teigiamų elektrinių ir neigiamų krūvių.

Tai riebalų, cukraus molekulės, tačiau daugiausiai dipolių molekulių yra vandenyje, kurio yra beveik bet kuriame gaminyje. Mikrobangų laukas, nuolat keisdamas savo kryptį, priverčia aukštu dažniu vibruoti molekules, kurios išsirikiuoja pagal jėgos linijas taip, kad visos teigiamai įkrautos molekulių dalys „žiūrėtų“į vieną ar kitą pusę. Atsiranda molekulinė trintis, išsiskiria energija, kuri šildo maistą.

9. Indukcija

Virtuvėje vis dažniau galite rasti indukcinių viryklių, kurių pagrindas yra šis reiškinys. Anglų fizikas Michaelas Faradėjus 1831 m. atrado elektromagnetinę indukciją ir nuo tada mūsų gyvenimo be jos neįmanoma įsivaizduoti.

Faradėjus atrado elektros srovės atsiradimą uždaroje kilpoje dėl magnetinio srauto, einančio per šią kilpą, pasikeitimo. Mokyklinė patirtis žinoma, kai plokščias magnetas juda spiralės formos laido (solenoido) grandinėje ir joje atsiranda elektros srovė. Taip pat yra atvirkštinis procesas – kintamoji elektros srovė solenoide (ritėje) sukuria kintamąjį magnetinį lauką.

Tuo pačiu principu veikia moderni indukcinė viryklė. Po tokios krosnies stiklo keramikos šildymo plokšte (neutrali elektromagnetiniams virpesiams) yra indukcinė ritė, per kurią teka elektros srovė 20-60 kHz dažniu, sukuriant kintamąjį magnetinį lauką, kuris plonu sluoksniu indukuoja sūkurines sroves. (odos sluoksnis) metalinio indo dugno.

Elektrinė varža įkaitina indus. Šios srovės nėra pavojingesnės už įkaitusius patiekalus ant įprastų viryklių. Indai turi būti plieniniai arba ketiniai, turintys feromagnetinių savybių (pritraukti magnetą).

10. Šviesos lūžimas

Šviesos kritimo kampas yra lygus atspindžio kampui, o natūralios šviesos arba lempų šviesos sklidimas paaiškinamas dviguba bangų dalelių prigimtimi: viena vertus, tai yra elektromagnetinės bangos, kita vertus, dalelės-fotonai, kurios juda didžiausiu įmanomu Visatoje greičiu.

Virtuvėje galite stebėti tokį optinį reiškinį kaip šviesos lūžimas. Pavyzdžiui, kai ant virtuvės stalo yra skaidri vaza su gėlėmis, vandenyje esantys stiebai pasislenka ties vandens paviršiaus riba, palyginti su jų tęsiniu už skysčio ribų. Faktas yra tas, kad vanduo, kaip lęšis, laužo šviesos spindulius, atsispindinčius nuo stiebų vazoje.

Panašus dalykas pastebimas permatomoje arbatos stiklinėje, į kurią įmerkiamas šaukštas. Taip pat galite pamatyti iškreiptą ir padidintą pupelių ar javų vaizdą gilaus puodo su švariu vandeniu dugne.