Учим физика и учим деца, без да излизаме от кухнята

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Всеки ден прекарваме по 1-2 часа в кухнята. Някой по-малко, някой повече. Като се има предвид това, ние рядко мислим за физически явления, когато готвим закуска, обяд или вечеря. Но не може да има по-голяма концентрация от тях в ежедневните условия, отколкото в кухнята, в апартамента. Добра възможност да обясните физиката на децата!

1. Дифузия

Постоянно се сблъскваме с това явление в кухнята. Името му произлиза от латинското diffusio - взаимодействие, разпръскване, разпространение.

Това е процес на взаимно проникване на молекули или атоми на две съседни вещества. Скоростта на дифузия е пропорционална на площта на напречното сечение на тялото (обема) и разликата в концентрациите, температурите на смесените вещества. Ако има температурна разлика, тогава тя задава посоката на разпространение (градиент) - от горещо към студено. В резултат на това се получава спонтанно подравняване на концентрациите на молекули или атоми.

Това явление може да се наблюдава в кухнята, когато миризмите се разпространяват. Благодарение на дифузията на газове, седейки в друга стая, можете да разберете какво се готви. Както знаете, природният газ е без мирис и към него се добавя добавка, за да се улесни откриването на изтичане на битови газове.

Одорант като етил меркаптан добавя остра миризма. Ако горелката не светне за първи път, тогава можем да усетим специфична миризма, която познаваме от детството като миризма на битов газ.

И ако хвърлите зърна чай или пакетче чай във вряща вода и не бъркате, можете да видите как чаената запарка се разпространява в обема на чиста вода.

Това е дифузия на течности. Пример за дифузия в твърдо вещество би било осоляването на домати, краставици, гъби или зеле. Солните кристали във водата се разпадат на Na и Cl йони, които, движейки се хаотично, проникват между молекулите на веществата в състава на зеленчуци или гъби.

2. Промяна на агрегатното състояние

Малко от нас забелязаха, че в лявата чаша вода след няколко дни същата част от водата се изпарява при стайна температура, както при кипене за 1-2 минути. И когато замразяваме храна или вода за кубчета лед в хладилника, ние не мислим как се случва това.

Междувременно тези най-често срещани и често срещани кухненски феномени се обясняват лесно. Течността има междинно състояние между твърди вещества и газове.

При температури, различни от кипене или замръзване, силите на привличане между молекулите в течността не са толкова силни или слаби, колкото в твърдите тела и газовете. Ето защо, например, само получавайки енергия (от слънчевите лъчи, молекули на въздуха при стайна температура), течните молекули от отворената повърхност постепенно преминават в газовата фаза, създавайки налягане на парите над повърхността на течността.

Скоростта на изпарение се увеличава с увеличаване на повърхността на течността, повишаване на температурата и намаляване на външното налягане. Ако температурата се повиши, тогава парното налягане на тази течност достига външното налягане. Температурата, при която това се случва, се нарича точка на кипене. Точката на кипене намалява с намаляване на външното налягане. Следователно в планинските райони водата кипи по-бързо.

Обратно, когато температурата падне, водните молекули губят кинетичната си енергия до нивото на силите на привличане помежду си. Те вече не се движат хаотично, което позволява образуването на кристална решетка като тази на твърдите тела. Температурата от 0 ° C, при която това се случва, се нарича точка на замръзване на водата.

При замръзване водата се разширява. Много хора можеха да се запознаят с този феномен, когато поставят пластмасова бутилка с напитка във фризера за бързо охлаждане и забравят за нея, а след това бутилката се спука. При охлаждане до температура от 4 ° C първо се наблюдава увеличаване на плътността на водата, при което се достигат нейната максимална плътност и минимален обем. След това, при температури от 4 до 0 ° C, настъпва пренареждане на връзките във водната молекула и нейната структура става по-малко плътна.

При температура от 0 ° C течната фаза на водата се превръща в твърда. След като водата напълно замръзне и се превърне в лед, обемът й нараства с 8,4%, което води до спукване на пластмасовата бутилка. Съдържанието на течности в много продукти е ниско, така че те не увеличават обема си толкова забележимо при замразяване.

3. Абсорбция и адсорбция

Тези две почти неразделни явления, наречени от латинското sorbeo (попивам), се наблюдават например при нагряване на вода в чайник или тенджера. Газ, който не действа химически върху течност, все пак може да бъде абсорбиран от нея при контакт с нея. Това явление се нарича абсорбция.

Когато газовете се абсорбират от твърди финозърнести или порести тела, повечето от тях се натрупват плътно и се задържат на повърхността на порите или зърната и не се разпределят в целия обем. В този случай процесът се нарича адсорбция. Тези явления могат да се наблюдават при кипене на вода - мехурчетата се отделят от стените на тенджера или чайник при нагряване.

Въздухът, освободен от водата, съдържа 63% азот и 36% кислород. Като цяло атмосферният въздух съдържа 78% азот и 21% кислород.

Готварската сол в непокрит съд може да се намокри поради хигроскопичните си свойства - абсорбирането на водни пари от въздуха. А содата за хляб действа като адсорбент, когато се постави в хладилник, за да премахне миризмите.

4. Проявление на закона на Архимед

Когато сме готови да сготвим пилето, напълваме тенджерата с вода около половината или ¾, в зависимост от размера на пилето. Потапяйки трупа в тенджера с вода, забелязваме, че теглото на пилето във водата забележимо намалява и водата се издига до краищата на тенджерата.

Това явление се обяснява със силата на плаваемост или закона на Архимед. В този случай върху тяло, потопено в течност, действа плаваща сила, равна на теглото на течността в обема на потопената част на тялото. Тази сила се нарича сила на Архимед, както и самият закон, който обяснява това явление.

5. Повърхностно напрежение

Много хора си спомнят експериментите с филми с течности, които се показват в уроците по физика в училище. Малка телена рамка с една подвижна страна беше потопена в сапунена вода и след това извадена. Силите на повърхностно напрежение във филма, образуван по периметъра, повдигнаха долната подвижна част на рамката. За да се запази неподвижен, при повторението на експеримента от него беше окачена тежест.

Това явление може да се наблюдава в гевгир – след употреба в дупките на дъното на тези кухненски прибори остава вода. Същото явление може да се наблюдава и след измиване на вилиците - има и ивици вода по вътрешната повърхност между някои от зъбите.

Физиката на течностите обяснява това явление по следния начин: течните молекули са толкова близо една до друга, че силите на привличане между тях създават повърхностно напрежение в равнината на свободната повърхност. Ако силата на привличане на водните молекули на течния филм е по-слаба от силата на привличане към повърхността на гевгира, тогава водният филм се счупва.

Също така силите на повърхностното напрежение се забелязват, когато изсипваме зърнени храни или грах, боб в тенджера с вода или добавяме кръгли зърна черен пипер. Някои зърна ще останат на повърхността на водата, докато повечето ще потънат на дъното под тежестта на останалите. Ако леко натиснете върху плаващите зърна с върха на пръста или лъжица, те ще преодолеят повърхностното напрежение на водата и ще потънат на дъното.

6. Намокряне и разпръскване

Разлятата течност може да образува малки петна върху покрита с мазнина печка и една локва на масата. Работата е там, че течните молекули в първия случай са по-привлечени една от друга, отколкото към повърхността на плочата, където има мастен филм, който не е намокрен от вода, а на чиста маса привличането на водни молекули към молекулите на повърхността на масата е по-висока от привличането на водните молекули една към друга. В резултат на това локвата се разпространява.

Това явление е свързано и с физиката на течностите и е свързано с повърхностното напрежение. Както знаете, сапуненият мехур или течните капчици имат сферична форма поради силите на повърхностно напрежение.

В капчица течните молекули се привличат една към друга по-силно, отколкото към молекулите на газа, и се стремят към вътрешността на течната капчица, намалявайки нейната повърхност. Но ако има твърда намокрена повърхност, тогава част от капката при контакт се разтяга по нея, тъй като молекулите на твърдото вещество привличат молекулите на течността и тази сила надвишава силата на привличане между молекулите на течността.

Степента на овлажняване и разпръскване върху твърда повърхност ще зависи от това коя сила е по-голяма - силата на привличане на молекулите на течността и молекулите на твърдото вещество помежду си или силата на привличане на молекулите вътре в течност.

От 1938 г. това физическо явление се използва широко в индустрията, в производството на стоки за бита, когато в лабораторията на DuPont е синтезиран тефлон (политетрафлуоретилен) материал.

Неговите свойства се използват не само при производството на съдове за готвене с незалепващо покритие, но и при производството на водоустойчиви, водоотблъскващи тъкани и покрития за дрехи и обувки. Тефлонът е признат от Книгата на рекордите на Гинес като най-хлъзгавото вещество в света. Има много ниско повърхностно напрежение и адхезия (залепване), не се намокря с вода, грес или много органични разтворители.

7. Топлопроводимост

Едно от най-често срещаните явления в кухнята, които можем да наблюдаваме, е нагряването на чайник или вода в тенджера. Топлопроводимостта е пренос на топлина чрез движение на частици, когато има разлика (градиент) в температурата. Сред видовете топлопроводимост има и конвекция.

В случай на идентични вещества, топлопроводимостта на течностите е по-малка от тази на твърдите тела и по-висока от тази на газовете. Топлопроводимостта на газовете и металите се увеличава с повишаване на температурата, а тази на течностите намалява. Постоянно сме изправени пред конвекция, независимо дали бъркаме супа или чай с лъжица, или отваряме прозорец, или включваме вентилацията, за да проветрим кухнята.

Конвекция - от латински convectiō (пренос) - вид топлопренос, при който вътрешната енергия на газ или течност се пренася от струи и потоци. Разграничаване на естествена конвекция и принудителна. В първия случай слоевете течност или въздух се смесват при нагряване или охлаждане. А във втория случай има механично смесване на течност или газ – с лъжица, вентилатор или по друг начин.

8. Електромагнитно излъчване

Микровълновата фурна понякога се нарича микровълнова фурна или микровълнова фурна. Основният елемент на всяка микровълнова фурна е магнетрон, който преобразува електрическата енергия в микровълново електромагнитно излъчване с честота до 2,45 гигахерца (GHz). Радиацията загрява храната чрез взаимодействие с нейните молекули.

Продуктите съдържат диполни молекули, съдържащи положителни електрически и отрицателни заряди на противоположните си части.

Това са молекули мазнини, захар, но най-вече диполните молекули са във водата, която се намира в почти всеки продукт. Микровълновото поле, постоянно променяйки посоката си, кара молекулите да вибрират с висока честота, които се подреждат по силовите линии, така че всички положително заредени части на молекулите „гледат“в една или друга посока. Възниква молекулярно триене, отделя се енергия, която загрява храната.

9. Индукция

В кухнята все по-често можете да намерите индукционни готварски печки, които се основават на този феномен. Английският физик Майкъл Фарадей открива електромагнитната индукция през 1831 г. и оттогава е невъзможно да си представим живота си без нея.

Фарадей открива появата на електрически ток в затворен контур поради промяна в магнитния поток, преминаващ през този контур. Училищен опит е известен, когато плосък магнит се движи вътре в спираловидна верига от проводник (соленоид) и в него се появява електрически ток. Има и обратен процес - променлив електрически ток в соленоид (намотка) създава променливо магнитно поле.

Съвременната индукционна готварска печка работи на същия принцип. Под стъклокерамичен нагревателен панел (неутрално спрямо електромагнитни трептения) на такава печка има индукционна намотка, през която протича електрически ток с честота 20-60 kHz, създавайки променливо магнитно поле, което индуцира вихрови токове в тънък слой (кожен слой) на дъното на метална чиния.

Електрическото съпротивление загрява съдовете. Тези течения не са по-опасни от нагорещени ястия на обикновени печки. Съдовете за готвене трябва да бъдат стоманени или чугунени с феромагнитни свойства (привличат магнит).

10. Пречупване на светлината

Ъгълът на падане на светлината е равен на ъгъла на отражение, а разпространението на естествена светлина или светлина от лампи се обяснява с двойна природа на вълна-частици: от една страна, това са електромагнитни вълни, а от друга, частици-фотони, които се движат с максималната възможна скорост във Вселената.

В кухнята можете да наблюдавате такова оптично явление като пречупването на светлината. Например, когато на кухненската маса има прозрачна ваза с цветя, стъблата във водата изглежда се изместват на границата на водната повърхност спрямо тяхното продължение извън течността. Факт е, че водата, подобно на леща, пречупва лъчите на светлината, отразени от стъблата във вазата.

Подобно нещо се наблюдава и в прозрачна чаша за чай, в която се потапя лъжица. Можете също да видите изкривено и увеличено изображение на боб или зърнени храни на дъното на дълбок съд с чиста вода.