Uczymy się fizyki i uczymy dzieci bez wychodzenia z kuchni

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

W kuchni spędzamy 1-2 godziny dziennie. Ktoś mniej, ktoś więcej. Biorąc to pod uwagę, kiedy gotujemy śniadanie, obiad lub kolację, rzadko myślimy o zjawiskach fizycznych. Ale w codziennych warunkach nie może być ich większej koncentracji niż w kuchni, w mieszkaniu. Dobra okazja, aby wyjaśnić dzieciom fizykę!

1. Dyfuzja

W kuchni stale mamy do czynienia z tym zjawiskiem. Jego nazwa wywodzi się od łacińskiego diffusio – oddziaływanie, rozproszenie, rozmieszczenie.

Jest to proces wzajemnego przenikania się cząsteczek lub atomów dwóch sąsiadujących ze sobą substancji. Szybkość dyfuzji jest proporcjonalna do pola przekroju ciała (objętości) i różnicy stężeń, temperatur zmieszanych substancji. Jeśli istnieje różnica temperatur, to określa kierunek propagacji (gradientu) - od gorącego do zimnego. W rezultacie następuje spontaniczne wyrównanie stężeń cząsteczek lub atomów.

Zjawisko to można zaobserwować w kuchni, gdy rozprzestrzeniają się zapachy. Dzięki dyfuzji gazów, siedząc w innym pokoju, możesz zrozumieć, co się gotuje. Jak wiadomo, gaz ziemny jest bezwonny i dodaje się do niego dodatek ułatwiający wykrycie wycieku gazu domowego.

Środek zapachowy, taki jak merkaptan etylowy, nadaje ostry zapach. Jeśli palnik nie zapali się za pierwszym razem, możemy wyczuć specyficzny zapach, który znamy od dzieciństwa jako zapach domowego gazu.

A jeśli do wrzącej wody wrzucisz ziarenka herbaty lub torebkę herbaty i nie będziesz mieszać, zobaczysz, jak napar z herbaty rozprowadza się w objętości czystej wody.

To jest dyfuzja płynów. Przykładem dyfuzji w ciele stałym może być solenie pomidora, ogórka, grzyba lub kapusty. Kryształki soli w wodzie rozpadają się na jony Na i Cl, które poruszając się chaotycznie wnikają między molekuły substancji w składzie warzyw czy grzybów.

2. Zmiana stanu skupienia

Niewielu z nas zauważyło, że w lewej szklance wody po kilku dniach ta sama część wody odparowuje w temperaturze pokojowej, jak przy gotowaniu przez 1-2 minuty. A kiedy zamrażamy jedzenie lub wodę na kostki lodu w lodówce, nie zastanawiamy się, jak to się dzieje.

Tymczasem te najczęstsze i najczęstsze zjawiska kuchenne można łatwo wytłumaczyć. Ciecz ma stan pośredni między ciałami stałymi a gazami.

W temperaturach innych niż wrzenie lub zamarzanie siły przyciągania między cząsteczkami w cieczy nie są tak silne ani słabe jak w ciałach stałych i gazach. Dlatego np. otrzymując energię (z promieni słonecznych, molekuł powietrza w temperaturze pokojowej), molekuły cieczy z otwartej powierzchni stopniowo przechodzą w fazę gazową, tworząc ciśnienie pary nad powierzchnią cieczy.

Szybkość parowania wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni cieczy, wzrostem temperatury i spadkiem ciśnienia zewnętrznego. Jeśli temperatura wzrośnie, ciśnienie pary tej cieczy osiąga ciśnienie zewnętrzne. Temperatura, w której to następuje, nazywana jest temperaturą wrzenia. Temperatura wrzenia spada wraz ze spadkiem ciśnienia zewnętrznego. Dlatego na obszarach górskich woda wrze szybciej.

I odwrotnie, gdy temperatura spada, cząsteczki wody tracą swoją energię kinetyczną do poziomu sił przyciągania między sobą. Nie poruszają się już chaotycznie, co pozwala na tworzenie sieci krystalicznej, takiej jak w przypadku ciał stałych. Temperatura 0°C, w której to następuje, nazywana jest temperaturą zamarzania wody.

Po zamrożeniu woda rozszerza się. Wiele osób mogło zapoznać się z tym zjawiskiem, gdy włożyli do zamrażarki plastikową butelkę z napojem w celu szybkiego schłodzenia i zapomnieli o tym, a potem butelka pękała. Po schłodzeniu do temperatury 4 ° C najpierw obserwuje się wzrost gęstości wody, przy której osiąga się jej maksymalną gęstość i minimalną objętość. Następnie w temperaturach od 4 do 0°C dochodzi do przegrupowania wiązań w cząsteczce wody i jej struktura staje się mniej gęsta.

W temperaturze 0 ° C faza ciekła wody zmienia się w stałą. Gdy woda całkowicie zamarza i zamienia się w lód, jej objętość rośnie o 8,4%, co prowadzi do rozerwania plastikowej butelki. Zawartość płynów w wielu produktach jest niska, dzięki czemu nie zwiększają one tak wyraźnie objętości po zamrożeniu.

3. Absorpcja i adsorpcja

Te dwa niemal nierozłączne zjawiska, zwane z łac. sorbeo (absorbować), obserwujemy np. podczas podgrzewania wody w czajniku lub rondlu. Gaz, który nie działa chemicznie na ciecz, może jednak zostać przez nią wchłonięty w kontakcie z nią. Zjawisko to nazywa się absorpcją.

Gdy gazy są pochłaniane przez ciała stałe drobnoziarniste lub porowate, większość z nich gęsto gromadzi się i jest zatrzymywana na powierzchni porów lub ziaren i nie jest rozprowadzana w całej objętości. W tym przypadku proces ten nazywa się adsorpcją. Zjawiska te można zaobserwować podczas gotowania wody - bąbelki oddzielają się od ścianek rondla lub czajnika po podgrzaniu.

Powietrze uwalniane z wody zawiera 63% azotu i 36% tlenu. Ogólnie powietrze atmosferyczne zawiera 78% azotu i 21% tlenu.

Sól kuchenna w odsłoniętym pojemniku może zamoczyć się ze względu na swoje właściwości higroskopijne – pochłanianie pary wodnej z powietrza. Soda oczyszczona działa jak adsorbent po umieszczeniu w lodówce, usuwając nieprzyjemne zapachy.

4. Manifestacja prawa Archimedesa

Gdy jesteśmy gotowi do ugotowania kurczaka, napełniamy garnek wodą około połowy lub ¾, w zależności od wielkości kurczaka. Zanurzając tuszę w garnku z wodą, zauważamy, że waga kurczaka w wodzie jest zauważalnie zmniejszona, a woda unosi się do brzegów garnka.

Zjawisko to tłumaczy się siłą wyporu lub prawem Archimedesa. W tym przypadku na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu równa ciężarowi cieczy w objętości zanurzonej części ciała. Siła ta nazywana jest siłą Archimedesa, podobnie jak samo prawo, które wyjaśnia to zjawisko.

5. Napięcie powierzchniowe

Wiele osób pamięta eksperymenty z filmami z płynami, które były pokazywane na lekcjach fizyki w szkole. Małą drucianą ramkę z jedną ruchomą stroną zanurzono w wodzie z mydłem, a następnie wyciągnięto. Siły napięcia powierzchniowego w folii powstałe na obwodzie uniosły dolną ruchomą część ramy. Aby utrzymać go w bezruchu, zawieszano na nim ciężarek, gdy eksperyment był powtarzany.

Zjawisko to można zaobserwować w durszlaku - po użyciu woda pozostaje w otworach na dnie tych przyborów kuchennych. To samo zjawisko można zaobserwować po umyciu widelców - pojawiają się również smugi wody na wewnętrznej powierzchni między niektórymi zębami.

Fizyka cieczy wyjaśnia to zjawisko w następujący sposób: cząsteczki cieczy są tak blisko siebie, że siły przyciągania między nimi wytwarzają napięcie powierzchniowe w płaszczyźnie swobodnej powierzchni. Jeśli siła przyciągania cząsteczek wody w filmie cieczy jest słabsza niż siła przyciągania do powierzchni durszlaka, film wodny pęka.

Również siły napięcia powierzchniowego są zauważalne, gdy wsypujemy zboża lub groch, fasolę do rondla z wodą lub dodajemy okrągłe ziarenka pieprzu. Niektóre ziarna pozostaną na powierzchni wody, podczas gdy większość opadnie na dno pod ciężarem reszty. Jeśli lekko naciśniesz pływające ziarna koniuszkiem palca lub łyżką, pokonają one napięcie powierzchniowe wody i opadną na dno.

6. Zwilżanie i rozprowadzanie

Rozlany płyn może tworzyć małe plamy na pokrytym tłuszczem kuchence, a na stole pojedynczą kałużę. Rzecz w tym, że cząsteczki cieczy w pierwszym przypadku są bardziej przyciągane do siebie niż do powierzchni płytki, gdzie znajduje się nie zwilżony przez wodę film tłuszczowy, a na czystym stole przyciąganie cząsteczek wody do cząsteczek powierzchnia stołu jest wyższa niż wzajemne przyciąganie cząsteczek wody. W rezultacie kałuża się rozprzestrzenia.

Zjawisko to jest również związane z fizyką cieczy i jest związane z napięciem powierzchniowym. Jak wiadomo, bańka mydlana lub kropelki cieczy mają kulisty kształt ze względu na siły napięcia powierzchniowego.

W kropli cząsteczki cieczy są przyciągane do siebie silniej niż do cząsteczek gazu i dążą do wnętrza kropli cieczy, zmniejszając jej powierzchnię. Ale jeśli istnieje zwilżona powierzchnia ciała stałego, wówczas część kropli w kontakcie z nią rozciąga się wzdłuż niej, ponieważ cząsteczki ciała stałego przyciągają cząsteczki cieczy, a siła ta przekracza siłę przyciągania między cząsteczkami cieczy.

Stopień zwilżenia i rozprowadzenia na powierzchni ciała stałego będzie zależał od tego, która siła jest większa - siła przyciągania cząsteczek cieczy i cząsteczek ciała stałego między sobą lub siła przyciągania cząsteczek wewnątrz cieczy.

Od 1938 roku to zjawisko fizyczne znalazło szerokie zastosowanie w przemyśle, w produkcji artykułów gospodarstwa domowego, kiedy to w laboratorium DuPont zsyntetyzowano materiał teflonowy (politetrafluoroetylen).

Jego właściwości wykorzystywane są nie tylko w produkcji naczyń kuchennych z powłoką zapobiegającą przywieraniu, ale także w produkcji wodoodpornych, hydrofobowych tkanin oraz powłok do odzieży i obuwia. Teflon został uznany w Księdze Rekordów Guinnessa za najbardziej śliską substancję na świecie. Posiada bardzo niskie napięcie powierzchniowe i przyczepność (sklejanie), nie jest zwilżany wodą, tłuszczem ani wieloma rozpuszczalnikami organicznymi.

7. Przewodność cieplna

Jednym z najczęstszych zjawisk w kuchni, które możemy zaobserwować, jest nagrzewanie się czajnika lub wody w rondlu. Przewodność cieplna to przenoszenie ciepła poprzez ruch cząstek, gdy występuje różnica (gradient) temperatury. Wśród rodzajów przewodności cieplnej jest również konwekcja.

W przypadku identycznych substancji przewodność cieplna cieczy jest mniejsza niż ciał stałych, a wyższa niż gazów. Przewodność cieplna gazów i metali wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a cieczy maleje. Ciągle mamy do czynienia z konwekcją, niezależnie od tego, czy mieszamy łyżką zupę lub herbatę, czy otwieramy okno, czy włączamy wentylację, aby przewietrzyć kuchnię.

Konwekcja - z łac. convectiō (przenoszenie) - rodzaj wymiany ciepła, w której energia wewnętrzna gazu lub cieczy jest przekazywana przez strumienie i strumienie. Rozróżnij konwekcję naturalną i wymuszoną. W pierwszym przypadku warstwy cieczy lub powietrza same mieszają się podczas ogrzewania lub chłodzenia. A w drugim przypadku następuje mechaniczne mieszanie cieczy lub gazu - łyżką, wentylatorem lub w inny sposób.

8. Promieniowanie elektromagnetyczne

Kuchenka mikrofalowa jest czasami nazywana kuchenką mikrofalową lub kuchenką mikrofalową. Głównym elementem każdej kuchenki mikrofalowej jest magnetron, który zamienia energię elektryczną na mikrofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości do 2,45 gigaherca (GHz). Promieniowanie ogrzewa żywność poprzez interakcję z jej cząsteczkami.

Produkty zawierają cząsteczki dipolowe zawierające dodatnie i ujemne ładunki elektryczne na ich przeciwnych częściach.

Są to molekuły tłuszczów, cukru, ale przede wszystkim molekuły dipolowe znajdują się w wodzie, która znajduje się w prawie każdym produkcie. Pole mikrofalowe, ciągle zmieniając swój kierunek, wprawia molekuły w drgania z dużą częstotliwością, które układają się wzdłuż linii sił tak, że wszystkie dodatnio naładowane części molekuł „patrzą” w jednym lub drugim kierunku. Powstaje tarcie molekularne, uwalniana jest energia, która podgrzewa żywność.

9. Indukcja

W kuchni coraz częściej można spotkać kuchenki indukcyjne, które opierają się na tym zjawisku. Angielski fizyk Michael Faraday odkrył indukcję elektromagnetyczną w 1831 roku i od tego czasu nie można sobie wyobrazić naszego życia bez niej.

Faraday odkrył występowanie prądu elektrycznego w zamkniętej pętli ze względu na zmianę strumienia magnetycznego przechodzącego przez tę pętlę. Szkolne doświadczenie jest znane, gdy płaski magnes porusza się w spiralnym obwodzie drutu (solenoidu) i pojawia się w nim prąd elektryczny. Istnieje również proces odwrotny – przemienny prąd elektryczny w elektromagnesie (cewce) wytwarza przemienne pole magnetyczne.

Na tej samej zasadzie działa nowoczesna kuchenka indukcyjna. Pod szklano-ceramiczną płytą grzejną (obojętną na drgania elektromagnetyczne) takiego pieca znajduje się cewka indukcyjna, przez którą przepływa prąd elektryczny o częstotliwości 20-60 kHz, tworząc przemienne pole magnetyczne, które indukuje prądy wirowe w cienkiej warstwie (warstwa skóry) dna metalowego naczynia.

Opór elektryczny podgrzewa naczynia. Prądy te nie są bardziej niebezpieczne niż rozpalone do czerwoności naczynia na zwykłych piecach. Naczynia powinny być stalowe lub żeliwne o właściwościach ferromagnetycznych (przyciągać magnes).

10. Załamanie światła

Kąt padania światła jest równy kątowi odbicia, a rozchodzenie się światła naturalnego lub światła z lamp tłumaczy się podwójną, falowo-cząstkową naturą: z jednej strony są to fale elektromagnetyczne, a z drugiej, cząstki-fotony, które poruszają się z maksymalną możliwą prędkością we Wszechświecie.

W kuchni można zaobserwować takie zjawisko optyczne jak załamanie światła. Na przykład, gdy na stole kuchennym stoi przezroczysty wazon z kwiatami, łodygi w wodzie wydają się przesuwać na granicy powierzchni wody w stosunku do ich kontynuacji poza cieczą. Faktem jest, że woda, jak soczewka, załamuje promienie światła odbite od łodyg w wazonie.

Podobną rzecz obserwuje się w przezroczystej szklance herbaty, w której zanurza się łyżkę. Możesz także zobaczyć zniekształcony i powiększony obraz fasoli lub zbóż na dnie głębokiego garnka z czystą wodą.