Fizikát tanulunk és gyerekeket tanítunk anélkül, hogy elhagynánk a konyhát

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Minden nap 1-2 órát töltünk a konyhában. Valaki kevesebbet, valaki többet. Ennek ellenére ritkán gondolunk fizikai jelenségekre, amikor reggelit, ebédet vagy vacsorát készítünk. De a hétköznapi körülmények között nem lehet nagyobb koncentrációjuk, mint a konyhában, a lakásban. Jó lehetőség, hogy elmagyarázzuk a fizikát a gyerekeknek!

1. Diffúzió

Folyamatosan szembesülünk ezzel a jelenséggel a konyhában. Neve a latin diffusio - kölcsönhatás, szétszóródás, eloszlás - szóból származik.

Ez a két szomszédos anyag molekuláinak vagy atomjainak kölcsönös behatolási folyamata. A diffúzió sebessége arányos a test keresztmetszeti területével (térfogatával), valamint a kevert anyagok koncentrációinak, hőmérsékleteinek különbségével. Ha hőmérsékletkülönbség van, akkor beállítja a terjedési irányt (gradiens) - melegről hidegre. Ennek eredményeként a molekulák vagy atomok koncentrációinak spontán összehangolása következik be.

Ez a jelenség a konyhában figyelhető meg, amikor szagok terjednek. A gázok diffúziójának köszönhetően egy másik szobában ülve megértheti, mi a főzés. Tudniillik a földgáz szagtalan, a háztartási gáz szivárgásának könnyebb észlelése érdekében adalékanyagot adnak hozzá.

Az illatosítószerek, például az etil-merkaptán szúrós szagot adnak. Ha az égő nem gyullad ki először, akkor egy sajátos szagot érzünk, amit gyerekkorunktól fogva háztartási gáz szagaként ismerünk.

És ha forró vízbe dobja a teaszemeket vagy egy teászacskót, és nem keveri, láthatja, hogyan terjed a tea forrázat a tiszta víz mennyiségében.

Ez a folyadékok diffúziója. A szilárd anyagban való diffúzióra példa a paradicsom, uborka, gomba vagy káposzta sózása. A vízben lévő sókristályok Na- és Cl-ionokká bomlanak, amelyek kaotikusan mozogva behatolnak a zöldségek vagy a gombák összetételében lévő anyagok molekulái közé.

2. Az aggregáció állapotának változása

Kevesen vettük észre, hogy egy bal pohár vízben néhány nap múlva szobahőmérsékleten ugyanannyi víz párolog el, mint 1-2 perces forraláskor. És amikor a hűtőszekrényben lefagyasztjuk az ételt vagy a vizet jégkockákhoz, nem gondolunk arra, hogy ez hogyan történik.

Eközben ezek a leggyakoribb és leggyakoribb konyhai jelenségek könnyen megmagyarázhatók. A folyadéknak van egy köztes állapota a szilárd anyagok és a gázok között.

A forrástól és a fagyástól eltérő hőmérsékleten a folyadékban lévő molekulák közötti vonzási erők nem olyan erősek vagy gyengék, mint a szilárd anyagokban és a gázokban. Ezért például csak energiát kapva (a napsugarakból, szobahőmérsékleten levegőmolekulákból) a nyílt felületről a folyékony molekulák fokozatosan a gázfázisba kerülnek, így gőznyomás keletkezik a folyadék felszíne felett.

A párolgási sebesség növekszik a folyadék felületének növekedésével, a hőmérséklet növekedésével és a külső nyomás csökkenésével. Ha a hőmérsékletet növeljük, akkor ennek a folyadéknak a gőznyomása eléri a külső nyomást. Azt a hőmérsékletet, amelyen ez bekövetkezik, forráspontnak nevezzük. A forráspont a külső nyomás csökkenésével csökken. Ezért a hegyvidéki területeken a víz gyorsabban felforr.

Ezzel szemben, amikor a hőmérséklet csökken, a vízmolekulák elvesztik kinetikus energiájukat az egymás közötti vonzási erők szintjére. Már nem mozognak kaotikusan, ami lehetővé teszi egy olyan kristályrács kialakulását, mint a szilárd anyagoké. Azt a 0 °C-os hőmérsékletet, amelyen ez bekövetkezik, a víz fagyáspontjának nevezzük.

Fagyáskor a víz kitágul. Sokan akkor ismerkedhettek meg ezzel a jelenséggel, amikor a fagyasztóba tettek egy italos műanyag palackot a gyors hűtés érdekében, és megfeledkeztek róla, majd az üveg szétrepedt. Amikor 4 ° C-ra hűtjük, először a víz sűrűségének növekedését figyeljük meg, amelynél elérjük a maximális sűrűséget és a minimális térfogatot. Ezután 4 és 0 ° C közötti hőmérsékleten a vízmolekulában a kötések átrendeződése következik be, és szerkezete kevésbé sűrű lesz.

0 ° C hőmérsékleten a víz folyékony fázisa szilárdvá változik. Miután a víz teljesen lefagy és jéggé alakul, térfogata 8,4%-kal nő, ami a műanyag palack szétrepedéséhez vezet. Sok termékben alacsony a folyadéktartalom, ezért fagyasztáskor nem nő a térfogatuk olyan feltűnően.

3. Felszívódás és adszorpció

Ezt a két szinte elválaszthatatlan jelenséget, amelyet a latin sorbeo (felszívni) szóból neveznek, megfigyelhető például vízforralóban vagy serpenyőben való melegítéskor. Az a gáz, amely kémiailag nem hat a folyadékra, mégis elnyelheti a folyadékkal érintkezve. Ezt a jelenséget abszorpciónak nevezik.

Amikor a gázokat szilárd finomszemcsés vagy porózus testek abszorbeálják, nagy részük sűrűn felhalmozódik, és a pórusok vagy szemcsék felületén marad, és nem oszlik el a térfogatban. Ebben az esetben a folyamatot adszorpciónak nevezzük. Ezek a jelenségek a víz forralásakor figyelhetők meg - melegítéskor buborékok válnak el egy serpenyő vagy vízforraló falától.

A vízből felszabaduló levegő 63% nitrogént és 36% oxigént tartalmaz. Általában a légköri levegő 78% nitrogént és 21% oxigént tartalmaz.

A fedetlen edényben lévő konyhasó higroszkópos tulajdonságai miatt – a levegőből a vízgőz felszívódása miatt – nedvessé válhat. A szódabikarbóna pedig adszorbensként működik, ha hűtőszekrénybe helyezzük, hogy eltávolítsa a szagokat.

4. Arkhimédész törvényének megnyilvánulása

Amikor készen állunk a csirke főzésére, az edényt a csirke méretétől függően körülbelül feléig vagy ¾-ig megtöltjük vízzel. A hasított testet egy edény vízbe merítve észrevesszük, hogy a vízben lévő csirke súlya észrevehetően csökken, és a víz az edény széléig emelkedik.

Ezt a jelenséget a felhajtóerő vagy Arkhimédész törvénye magyarázza. Ebben az esetben a folyadékba merült testre felhajtóerő hat, amely megegyezik a víz alá merült testrész térfogatában lévő folyadék tömegével. Ezt az erőt Arkhimédész erejének nevezik, csakúgy, mint magát a törvényt, amely megmagyarázza ezt a jelenséget.

5. Felületi feszültség

Sokan emlékeznek a folyadékfilmekkel végzett kísérletekre, amelyeket az iskolai fizikaórákon mutattak be. Egy kis drótvázat, amelynek egyik mozgatható oldala volt, szappanos vízbe mártották, majd kihúzták. A kerület mentén kialakult filmben a felületi feszültség erői felemelték a keret alsó mozgatható részét. A mozdulatlanság érdekében a kísérlet megismétlésekor súlyt függesztettek fel rá.

Ez a jelenség egy szűrőedényben figyelhető meg - használat után víz marad a konyhai eszközök alján lévő lyukakban. Ugyanez a jelenség figyelhető meg a villák mosása után is - egyes fogak között a belső felületen is vannak vízcsíkok.

A folyadékok fizikája ezt a jelenséget a következőképpen magyarázza: a folyadékmolekulák olyan közel vannak egymáshoz, hogy a köztük lévő vonzási erők felületi feszültséget hoznak létre a szabad felület síkjában. Ha a folyadékfilm vízmolekuláinak vonzási ereje gyengébb, mint a szűrőedény felületére ható vonzóerő, akkor a vízfilm elszakad.

A felületi feszültség ereje akkor is észrevehető, ha gabonaféléket vagy borsót, babot egy lábosba öntünk vízzel, vagy gömbölyű borsot teszünk bele. Egyes szemek a víz felszínén maradnak, míg a legtöbb a fenékre süllyed a többi súlya alatt. Ha ujja hegyével vagy kanállal enyhén megnyomja a lebegő szemcséket, azok legyőzik a víz felületi feszültségét és lesüllyednek a fenékre.

6. Nedvesítés és szórás

A kiömlött folyadék apró foltokat képezhet a zsírral bevont tűzhelyen, és egyetlen tócsát az asztalon. A helyzet az, hogy a folyékony molekulák az első esetben jobban vonzódnak egymáshoz, mint a lemez felületéhez, ahol van egy vízzel nem nedvesített zsírréteg, és egy tiszta asztalon a vízmolekulák vonzása a víz molekuláihoz. az asztal felülete magasabb, mint a vízmolekulák egymáshoz való vonzódása. Ennek eredményeként a tócsa szétterül.

Ez a jelenség a folyadékok fizikájával és a felületi feszültséggel is összefügg. Mint tudják, a szappanbuborék vagy a folyadékcseppek gömb alakúak a felületi feszültség miatt.

A cseppekben a folyékony molekulák erősebben vonzódnak egymáshoz, mint a gázmolekulák, és a folyadékcsepp belsejébe hajlanak, csökkentve annak felületét. De ha van szilárd nedves felület, akkor az érintkezéskor a csepp egy része megnyúlik rajta, mert a szilárd anyag molekulái vonzzák a folyadék molekuláit, és ez az erő meghaladja a folyadék molekulái közötti vonzási erőt..

A nedvesedés és a szilárd felületen való szétterülés mértéke attól függ, hogy melyik erő nagyobb - a folyadék és a szilárd anyag molekuláinak egymáshoz való vonzóereje vagy a folyadék belsejében lévő molekulák vonzási ereje.

Ezt a fizikai jelenséget 1938 óta széles körben alkalmazzák az iparban, háztartási cikkek gyártásában, amikor a DuPont laboratóriumában teflon (politetrafluoretilén) anyagot szintetizáltak.

Tulajdonságait nem csak tapadásmentes edények, hanem vízálló, vízlepergető szövetek és ruházati és cipőbevonatok gyártásánál is használják. A Guinness Rekordok Könyve szerint a teflon a világ legcsúszósabb anyaga. Nagyon alacsony felületi feszültséggel és tapadóképességgel rendelkezik (tapadó), nem nedvesíti sem vízzel, sem zsírral, sem sok szerves oldószerrel.

7. Hővezetőképesség

A konyhában az egyik leggyakoribb jelenség, amit megfigyelhetünk, a vízforraló vagy a víz felmelegítése egy serpenyőben. A hővezető képesség a részecskék mozgásán keresztül történő hőátadás, amikor hőmérsékletkülönbség (gradiens) van. A hővezető képesség típusai között szerepel a konvekció is.

Azonos anyagok esetén a folyadékok hővezető képessége kisebb, mint a szilárd anyagoké, és nagyobb, mint a gázoké. A gázok és fémek hővezető képessége a hőmérséklet emelkedésével nő, a folyadékoké csökken. Folyamatosan szembesülünk a konvekcióval, akár kanállal keverjük a levest vagy a teát, akár kinyitunk egy ablakot, akár bekapcsoljuk a szellőzést a konyha szellőzésére.

Konvekció - a latin convectiō (transzfer) szóból - a hőátadás egy fajtája, amikor egy gáz vagy folyadék belső energiáját sugarak és áramok adják át. Különbséget kell tenni a természetes és a kényszerített konvekció között. Az első esetben a folyadék- vagy levegőrétegek maguk keverednek melegítéskor vagy hűtéskor. A második esetben pedig folyadék vagy gáz mechanikus keverése történik - kanállal, ventilátorral vagy más módon.

8. Elektromágneses sugárzás

A mikrohullámú sütőt néha mikrohullámú sütőnek vagy mikrohullámú sütőnek is nevezik. Minden mikrohullámú sütő fő eleme egy magnetron, amely az elektromos energiát akár 2,45 gigahertz (GHz) frekvenciájú mikrohullámú elektromágneses sugárzássá alakítja. A sugárzás felmelegíti az élelmiszert azáltal, hogy kölcsönhatásba lép a molekuláival.

A termékek dipólmolekulákat tartalmaznak, amelyek ellentétes részeiken pozitív elektromos és negatív töltések vannak.

Ezek zsírok, cukormolekulák, de a legtöbb dipólmolekula vízben található, ami szinte minden termékben megtalálható. A mikrohullámú tér folyamatosan változtatva irányát, nagy frekvenciával rezgésbe hozza a molekulákat, amelyek az erővonalak mentén sorakoznak fel úgy, hogy a molekulák összes pozitív töltésű része "néz" egyik vagy másik irányba. Molekuláris súrlódás lép fel, energia szabadul fel, ami felmelegíti az ételt.

9. Indukció

A konyhában egyre gyakrabban találkozhatunk indukciós főzőlapokkal, amelyek erre a jelenségre épülnek. Michael Faraday angol fizikus 1831-ben fedezte fel az elektromágneses indukciót, és azóta lehetetlen elképzelni az életünket nélküle.

Faraday felfedezte az elektromos áram előfordulását egy zárt hurokban az ezen a hurkon áthaladó mágneses fluxus változása miatt. Iskolai tapasztalat ismert, amikor egy vezeték (szolenoid) spirál alakú áramkörében egy lapos mágnes mozog, és abban elektromos áram jelenik meg. Van egy fordított folyamat is - a szolenoidban (tekercsben) váltakozó elektromos áram váltakozó mágneses mezőt hoz létre.

A modern indukciós tűzhely ugyanezen az elven működik. Az ilyen kályha üvegkerámia fűtőpanelje alatt (elektromágneses rezgésekkel szemben semleges) van egy indukciós tekercs, amelyen keresztül 20-60 kHz frekvenciájú elektromos áram folyik, amely váltakozó mágneses teret hoz létre, amely vékony rétegben örvényáramot indukál. (bőrréteg) egy fémtál aljának.

Az elektromos ellenállás felmelegíti az edényeket. Ezek az áramok nem veszélyesebbek, mint a vörösen izzó edények a hagyományos tűzhelyeken. Az edényeknek ferromágneses tulajdonságokkal rendelkező acélból vagy öntöttvasból kell készülniük (mágnest vonzanak).

10. Fénytörés

A fény beesési szöge megegyezik a visszaverődés szögével, a természetes fény vagy a lámpák fényének terjedését pedig kettős, hullámrészecske jelleg magyarázza: ezek egyrészt elektromágneses hullámok, másrészt részecskék-fotonok, amelyek az Univerzumban lehetséges legnagyobb sebességgel mozognak.

A konyhában olyan optikai jelenséget figyelhet meg, mint a fénytörés. Például, ha egy átlátszó váza virágokkal van a konyhaasztalon, a vízben lévő szárak elmozdulni látszanak a vízfelszín határán a folyadékon kívüli folytatásukhoz képest. A helyzet az, hogy a víz, mint egy lencse, megtöri a vázában lévő szárakról visszaverődő fénysugarakat.

Hasonló dolog figyelhető meg egy átlátszó teáspohárban, amelybe egy kanalat mártottak. Egy mély, tiszta vizes edény alján bab vagy gabonafélék torzított és kinagyított képe is látható.