Učimo se fiziko in učimo otroke, ne da bi zapustili kuhinjo

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Vsak dan preživimo v kuhinji 1-2 uri. Nekdo manj, nekdo več. Kot rečeno, le redko razmišljamo o fizičnih pojavih, ko kuhamo zajtrk, kosilo ali večerjo. A večje koncentracije le-teh v vsakdanjih razmerah kot v kuhinji, v stanovanju ne more biti. Dobra priložnost, da otrokom razložimo fiziko!

1. Difuzija

V kuhinji se nenehno srečujemo s tem pojavom. Njegovo ime izhaja iz latinskega diffusio - interakcija, razpršitev, porazdelitev.

To je proces medsebojnega prodiranja molekul ali atomov dveh sosednjih snovi. Hitrost difuzije je sorazmerna s površino prečnega prereza telesa (volumen) in razliko v koncentracijah, temperaturah mešanih snovi. Če obstaja temperaturna razlika, potem nastavi smer širjenja (gradient) - od vročega do hladnega. Posledično pride do spontane poravnave koncentracij molekul ali atomov.

Ta pojav lahko opazimo v kuhinji, ko se vonjave širijo. Zahvaljujoč difuziji plinov, ko sedite v drugi sobi, lahko razumete, kaj se kuha. Kot veste, je zemeljski plin brez vonja in mu je dodan dodatek za lažje odkrivanje uhajanja plina za gospodinjstvo.

Odorant, kot je etil merkaptan, doda oster vonj. Če gorilnik ne prižge prvič, potem lahko zavohamo specifičen vonj, ki ga poznamo že iz otroštva kot vonj gospodinjskega plina.

In če vržete zrna čaja ali čajno vrečko v vrelo vodo in ne mešajte, lahko vidite, kako se čajni poparek širi v volumnu čiste vode.

To je difuzija tekočin. Primer difuzije v trdni snovi bi bilo soljenje paradižnika, kumare, gob ali zelja. Kristali soli v vodi se razgradijo na ione Na in Cl, ki se kaotično premikajo med molekule snovi v sestavi zelenjave ali gob.

2. Sprememba agregacijskega stanja

Malo nas je opazilo, da v levem kozarcu vode po nekaj dneh izhlapi enak del vode pri sobni temperaturi kot pri vrenju 1-2 minuti. In ko zamrznemo hrano ali vodo za ledene kocke v hladilniku, ne razmišljamo o tem, kako se to zgodi.

Medtem so ti najpogostejši in pogosti kuhinjski pojavi enostavno razloženi. Tekočina ima vmesno stanje med trdnimi snovmi in plini.

Pri temperaturah, ki niso vrelišče ali zmrzovanje, privlačne sile med molekulami v tekočini niso tako močne ali šibke kot v trdnih snoveh in plinih. Zato, na primer, ko le prejemajo energijo (od sončnih žarkov, molekul zraka pri sobni temperaturi), molekule tekočine z odprte površine postopoma prehajajo v plinasto fazo in ustvarjajo parni tlak nad površino tekočine.

Hitrost izhlapevanja se poveča s povečanjem površine tekočine, zvišanjem temperature in zmanjšanjem zunanjega tlaka. Če se temperatura poveča, potem parni tlak te tekočine doseže zunanji tlak. Temperaturo, pri kateri se to zgodi, imenujemo vrelišče. Vrelišče se zmanjša z zmanjšanjem zunanjega tlaka. Zato v gorskih predelih voda hitreje zavre.

Nasprotno, ko temperatura pade, molekule vode izgubijo svojo kinetično energijo na raven privlačnosti med seboj. Ne premikajo se več kaotično, kar omogoča nastanek kristalne mreže, kot je pri trdnih snoveh. Temperatura 0 °C, pri kateri se to zgodi, se imenuje ledišče vode.

Ko je zamrznjena, se voda razširi. Marsikdo bi se lahko seznanil s tem pojavom, ko bi plastično steklenico s pijačo dali v zamrzovalnik za hitro hlajenje in pozabili nanjo, nato pa je steklenica počila. Ko se ohladi na temperaturo 4 ° C, najprej opazimo povečanje gostote vode, pri kateri dosežeta največjo gostoto in najmanjši volumen. Nato pri temperaturah od 4 do 0 ° C pride do prerazporeditve vezi v molekuli vode in njena struktura postane manj gosta.

Pri temperaturi 0 ° C se tekoča faza vode spremeni v trdno. Ko voda popolnoma zamrzne in se spremeni v led, se njen volumen poveča za 8,4%, kar vodi do počenja plastične steklenice. Vsebnost tekočine v mnogih izdelkih je nizka, zato se pri zamrzovanju ne povečajo tako opazno.

3. Absorpcija in adsorpcija

Ta dva skoraj neločljiva pojava, imenovana iz latinskega sorbeo (vpijati), opazimo na primer pri segrevanju vode v kotličku ali ponvi. Plin, ki na tekočino ne deluje kemično, lahko kljub temu absorbira ob stiku z njo. Ta pojav se imenuje absorpcija.

Ko trdna drobnozrnata ali porozna telesa absorbirajo pline, se jih večina gosto kopiči in zadrži na površini por ali zrn in se ne porazdeli po celotnem volumnu. V tem primeru se postopek imenuje adsorpcija. Te pojave lahko opazimo pri vreli vodi - mehurčki se pri segrevanju ločijo od sten lonca ali kotlička.

Zrak, ki se sprosti iz vode, vsebuje 63 % dušika in 36 % kisika. Na splošno atmosferski zrak vsebuje 78 % dušika in 21 % kisika.

Namizna sol v nepokriti posodi se lahko zmoči zaradi svojih higroskopskih lastnosti – absorpcije vodne pare iz zraka. In soda bikarbona deluje kot adsorbent, ko jo damo v hladilnik za odstranjevanje vonjav.

4. Manifestacija Arhimedovega zakona

Ko smo pripravljeni kuhati piščanca, lonec napolnimo z vodo približno do polovice ali ¾, odvisno od velikosti piščanca. S potopitvijo trupa v lonec z vodo opazimo, da se teža piščanca v vodi opazno zmanjša, voda pa se dvigne do robov lonca.

Ta pojav je razložen s silo vzgona ali Arhimedovim zakonom. V tem primeru na telo, potopljeno v tekočino, deluje vzgonska sila, ki je enaka teži tekočine v prostornini potopljenega dela telesa. Ta sila se imenuje Arhimedova sila, tako kot zakon sam, ki pojasnjuje ta pojav.

5. Površinska napetost

Mnogi se spominjajo poskusov s filmi tekočin, ki so jih predvajali pri pouku fizike v šoli. Majhen žični okvir z eno premično stranjo smo potopili v milnico in nato izvlekli. Sile površinske napetosti v filmu, oblikovanem vzdolž oboda, so dvignile spodnji premični del okvirja. Da bi bil negiben, so mu ob ponovitvi poskusa obesili utež.

Ta pojav lahko opazimo v cedilu – po uporabi ostane voda v luknjah na dnu teh kuhinjskih pripomočkov. Enak pojav lahko opazimo po pranju vilic – na notranji površini med nekaterimi zobmi so tudi proge vode.

Fizika tekočin razlaga ta pojav na naslednji način: molekule tekočine so tako blizu druga drugi, da privlačne sile med njimi ustvarjajo površinsko napetost v ravnini proste površine. Če je sila privlačnosti vodnih molekul tekočega filma šibkejša od sile privlačnosti na površino cedila, se vodni film zlomi.

Tudi sile površinske napetosti so opazne, ko v ponev z vodo vlijemo žitarice ali grah, fižol ali dodamo okrogla zrna popra. Nekaj zrn bo ostalo na površini vode, večina pa bo potonila na dno pod težo ostalih. Če s konico prsta ali žlice rahlo pritisnete na plavajoča zrna, bodo premagala površinsko napetost vode in potonila na dno.

6. Omočenje in širjenje

Razlita tekočina lahko tvori majhne madeže na zamaščenem štedilniku in eno samo lužo na mizi. Stvar je v tem, da se molekule tekočine v prvem primeru bolj privlačijo druga k drugi kot k površini plošče, kjer je maščobni film, ki ga voda ne zmoči, in na čisti mizi privlačnost molekul vode k molekulam površina mize je višja od privlačnosti molekul vode med seboj. Posledično se luža razširi.

Ta pojav je povezan tudi s fiziko tekočin in je povezan s površinsko napetostjo. Kot veste, imajo milni mehurček ali kapljice tekočine sferično obliko zaradi sil površinske napetosti.

V kapljici se molekule tekočine med seboj privlačijo močneje kot molekule plina in se nagibajo k notranjosti kapljice tekočine, kar zmanjša njeno površino. Če pa je namočena trdna površina, se del kapljice ob stiku raztegne vzdolž nje, ker molekule trdne snovi privlačijo molekule tekočine in ta sila presega silo privlačnosti med molekulami tekočine..

Stopnja omočenja in širjenja po trdni površini bo odvisna od tega, katera sila je večja - sila privlačnosti molekul tekočine in molekul trdne snovi med seboj ali sila privlačnosti molekul znotraj tekočine.

Od leta 1938 se ta fizični pojav pogosto uporablja v industriji, pri proizvodnji gospodinjskih izdelkov, ko so v laboratoriju DuPont sintetizirali teflonski (politetrafluoroetilen) material.

Njegove lastnosti se ne uporabljajo samo pri izdelavi posode proti sprijemanju, temveč tudi pri izdelavi vodoodpornih, vodoodbojnih tkanin in premazov za oblačila in obutev. Teflon je v Guinnessovi knjigi rekordov priznan kot najbolj spolzka snov na svetu. Ima zelo nizko površinsko napetost in oprijem (lepljenje), ni omočen z vodo, maščobo ali številnimi organskimi topili.

7. Toplotna prevodnost

Eden najpogostejših pojavov v kuhinji, ki ga lahko opazimo, je segrevanje kotlička ali vode v loncu. Toplotna prevodnost je prenos toplote skozi gibanje delcev, ko je razlika (gradient) v temperaturi. Med vrstami toplotne prevodnosti je tudi konvekcija.

Pri enakih snoveh je toplotna prevodnost tekočin manjša kot pri trdnih snoveh in višja kot pri plinih. Toplotna prevodnost plinov in kovin se z naraščanjem temperature povečuje, tekočine pa zmanjšuje. Nenehno se srečujemo s konvekcijo, ne glede na to, ali mešamo juho ali čaj z žlico, ali odpremo okno ali vklopimo prezračevanje za prezračevanje kuhinje.

Konvekcija - iz latinščine convectiō (prenos) - vrsta prenosa toplote, ko se notranja energija plina ali tekočine prenaša s curki in tokovi. Razlikovati med naravno in prisilno konvekcijo. V prvem primeru se plasti tekočine ali zraka same pomešajo, ko se segrejejo ali ohladijo. In v drugem primeru pride do mehanskega mešanja tekočine ali plina - z žlico, ventilatorjem ali na drug način.

8. Elektromagnetno sevanje

Mikrovalovna pečica se včasih imenuje mikrovalovna pečica ali mikrovalovna pečica. Glavni element vsake mikrovalovne pečice je magnetron, ki pretvarja električno energijo v mikrovalovno elektromagnetno sevanje s frekvenco do 2,45 gigaherca (GHz). Sevanje segreva hrano z interakcijo z njenimi molekulami.

Izdelki vsebujejo dipolne molekule, ki vsebujejo pozitivne električne in negativne naboje na svojih nasprotnih delih.

To so molekule maščob, sladkorja, vendar je največ dipolnih molekul v vodi, ki jo najdemo v skoraj vsakem izdelku. Mikrovalovno polje, ki nenehno spreminja svojo smer, povzroči, da molekule vibrirajo z visoko frekvenco, ki se razporedijo vzdolž silnih linij, tako da vsi pozitivno nabiti deli molekul "gledajo" v eno ali drugo smer. Pojavi se molekularno trenje, sprosti se energija, ki segreje hrano.

9. Indukcija

V kuhinji lahko vse pogosteje najdete indukcijske štedilnike, ki temeljijo na tem fenomenu. Angleški fizik Michael Faraday je leta 1831 odkril elektromagnetno indukcijo in od takrat si našega življenja brez nje ni mogoče predstavljati.

Faraday je odkril pojav električnega toka v zaprti zanki zaradi spremembe magnetnega toka, ki poteka skozi to zanko. Šolska izkušnja je znana, ko se ploski magnet premika znotraj spiralno oblikovanega vezja žice (solenoida) in se v njem pojavi električni tok. Obstaja tudi obraten proces - izmenični električni tok v solenoidu (tuljavi) ustvari izmenično magnetno polje.

Sodobni indukcijski štedilnik deluje na istem principu. Pod steklokeramično grelno ploščo (nevtralno do elektromagnetnih nihanj) takšne peči je indukcijska tuljava, skozi katero teče električni tok s frekvenco 20-60 kHz in ustvarja izmenično magnetno polje, ki inducira vrtinčne tokove v tankem sloju. (plast kože) dna kovinske posode.

Električni upor segreva posodo. Ti tokovi niso nič bolj nevarni kot vroče jedi na navadnih štedilnikih. Posoda naj bo jeklena ali litoželezna s feromagnetnimi lastnostmi (pritegne magnet).

10. Lom svetlobe

Vpadni kot svetlobe je enak kotu odboja, širjenje naravne svetlobe ali svetlobe iz svetilk pa je razloženo z dvojno naravo valovnih delcev: na eni strani so to elektromagnetno valovanje, po drugi pa, delci-fotoni, ki se gibljejo z največjo možno hitrostjo v vesolju.

V kuhinji lahko opazite tak optični pojav, kot je lom svetlobe. Na primer, ko je na kuhinjski mizi prozorna vaza s cvetjem, se zdi, da se stebla v vodi premikajo na meji vodne površine glede na njihovo nadaljevanje zunaj tekočine. Dejstvo je, da voda, kot leča, lomi žarke svetlobe, ki se odbijajo od stebel v vazi.

Podobno opazimo v prozornem kozarcu čaja, v katerega je potopljena žlica. Na dnu globokega lonca s čisto vodo lahko vidite tudi popačeno in povečano sliko fižola ali žitaric.