Opimme fysiikkaa ja opetamme lapsia keittiöstä poistumatta

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Vietämme keittiössä 1-2 tuntia joka päivä. Joku vähemmän, joku enemmän. Tästä huolimatta ajattelemme harvoin fyysisiä ilmiöitä valmistaessamme aamiaista, lounasta tai illallista. Mutta arjen olosuhteissa niitä ei voi olla suurempaa pitoisuutta kuin keittiössä, asunnossa. Hyvä tilaisuus selittää fysiikkaa lapsille!

1. Diffuusio

Olemme jatkuvasti kohtaamassa tämän ilmiön keittiössä. Sen nimi on johdettu latinan sanasta diffusio - vuorovaikutus, leviäminen, leviäminen.

Tämä on kahden vierekkäisen aineen molekyylien tai atomien keskinäinen tunkeutuminen. Diffuusionopeus on verrannollinen kehon poikkileikkauspinta-alaan (tilavuuteen) ja sekoitettujen aineiden pitoisuuksien, lämpötilojen eroihin. Jos lämpötilaero on, se asettaa etenemissuunnan (gradientti) - kuumasta kylmään. Tämän seurauksena tapahtuu molekyylien tai atomien pitoisuuksien spontaani kohdistus.

Tämä ilmiö voidaan havaita keittiössä, kun hajuja leviää. Kaasujen diffuusion ansiosta, istuessasi toisessa huoneessa, voit ymmärtää, mitä ruoanlaitto on. Kuten tiedät, maakaasu on hajuton ja siihen on lisätty lisäainetta, joka helpottaa kotitalouskaasun vuodon havaitsemista.

Tuoksuaine, kuten etyylimerkaptaani, lisää pistävää hajua. Jos poltin ei syty ensimmäistä kertaa, voimme haistaa tietyn hajun, jonka tunnemme lapsuudesta asti kotitalouskaasun hajuna.

Ja jos heität teejyviä tai teepussin kiehuvaan veteen etkä sekoita, näet kuinka teehautos leviää puhtaan veden määrässä.

Tämä on nesteiden diffuusiota. Esimerkki diffuusiosta kiinteässä aineessa olisi tomaatin, kurkun, sienen tai kaalin suolaus. Suolakiteet vedessä hajoavat Na- ja Cl-ioneiksi, jotka liikkuessaan kaoottisesti tunkeutuvat vihannesten tai sienten koostumuksessa olevien ainemolekyylien väliin.

2. Aggregoinnin tilan muutos

Harva meistä huomasi, että vasemmassa vesilasissa muutaman päivän kuluttua haihtuu sama osa vedestä huoneenlämmössä kuin keitettäessä 1-2 minuuttia. Ja kun pakastamme ruokaa tai vettä jääkuutioita varten jääkaapissa, emme ajattele, miten tämä tapahtuu.

Samaan aikaan nämä yleisimmät ja yleisimmät keittiöilmiöt on helppo selittää. Nesteellä on välitila kiinteiden aineiden ja kaasujen välillä.

Muissa lämpötiloissa kuin kiehumis- tai jäätymislämpötilassa nesteen molekyylien väliset vetovoimat eivät ole yhtä vahvoja tai heikkoja kuin kiinteissä aineissa ja kaasuissa. Siksi esimerkiksi vain vastaanottaessaan energiaa (auringon säteistä, ilmamolekyylistä huoneenlämpötilassa) avoimelta pinnalta tulevat nestemolekyylit siirtyvät vähitellen kaasufaasiin, jolloin nestepinnan yläpuolelle muodostuu höyrynpaine.

Haihtumisnopeus kasvaa nesteen pinta-alan kasvaessa, lämpötilan noustessa ja ulkoisen paineen laskussa. Jos lämpötilaa nostetaan, tämän nesteen höyrynpaine saavuttaa ulkoisen paineen. Lämpötilaa, jossa tämä tapahtuu, kutsutaan kiehumispisteeksi. Kiehumispiste laskee ulkoisen paineen laskiessa. Siksi vuoristoisilla alueilla vesi kiehuu nopeammin.

Päinvastoin, kun lämpötila laskee, vesimolekyylit menettävät kineettisen energiansa niiden välisten vetovoimien tasolle. Ne eivät enää liiku kaoottisesti, mikä mahdollistaa kiinteiden aineiden kaltaisen kidehilan muodostumisen. 0 °C lämpötilaa, jossa tämä tapahtuu, kutsutaan veden jäätymispisteeksi.

Jäätyessään vesi laajenee. Monet ihmiset saattoivat tutustua ilmiöön, kun laittoivat pakastimeen muovipullon juoman kanssa nopeasti jäähtymään ja unohtivat sen, ja sitten pullo räjähti. Jäähdytettynä 4 ° C:n lämpötilaan havaitaan ensin veden tiheyden kasvu, jolloin saavutetaan sen maksimitiheys ja pienin tilavuus. Sitten lämpötiloissa 4 - 0 ° C tapahtuu sidosten uudelleenjärjestely vesimolekyylissä ja sen rakenne muuttuu vähemmän tiheäksi.

0 °C:n lämpötilassa veden nestefaasi muuttuu kiinteäksi. Kun vesi jäätyy kokonaan ja muuttuu jääksi, sen tilavuus kasvaa 8,4%, mikä johtaa muovipullon räjähtämiseen. Monissa tuotteissa nestepitoisuus on alhainen, joten niiden tilavuus ei kasva niin merkittävästi pakastettuna.

3. Absorptio ja adsorptio

Nämä kaksi lähes erottamatonta ilmiötä, joita kutsutaan latinan sanasta sorbeo (imeytymään), havaitaan esimerkiksi lämmitettäessä vettä kattilassa tai kattilassa. Kaasu, joka ei kemiallisesti vaikuta nesteeseen, voi kuitenkin imeytyä siihen joutuessaan kosketuksiin nesteen kanssa. Tätä ilmiötä kutsutaan absorptioksi.

Kun kiinteät hienorakeiset tai huokoiset kappaleet imevät kaasuja, useimmat niistä kerääntyvät tiheästi ja jäävät huokosten tai rakeiden pinnalle eivätkä jakautuneet koko tilavuuteen. Tässä tapauksessa prosessia kutsutaan adsorptioksi. Nämä ilmiöt voidaan havaita keitettäessä vettä - kuplat erottuvat kattilan tai vedenkeittimen seinistä kuumennettaessa.

Vedestä vapautuva ilma sisältää 63 % typpeä ja 36 % happea. Yleensä ilmakehän ilma sisältää 78 % typpeä ja 21 % happea.

Päällystämättömässä astiassa oleva ruokasuola voi kastua hygroskooppisten ominaisuuksiensa vuoksi - vesihöyryn imeytymisen ilmasta. Ja ruokasooda toimii adsorbenttina, kun se asetetaan jääkaappiin hajujen poistamiseksi.

4. Arkhimedesin lain ilmentymä

Kun olemme valmiita paistamaan kanan, täytämme kattilan vedellä noin puolet tai ¾ kanan koosta riippuen. Upottamalla ruhon vesikattilaan huomaamme, että kanan paino vedessä vähenee huomattavasti ja vesi nousee kattilan reunoille.

Tämä ilmiö selittyy kelluvuusvoimalla tai Arkhimedesin lailla. Tässä tapauksessa nesteeseen upotettuun kappaleeseen vaikuttaa kelluva voima, joka on yhtä suuri kuin nesteen paino vedenalaisen kehon osan tilavuudessa. Tätä voimaa kutsutaan Arkhimedesin voimaksi, samoin kuin itse lakia, joka selittää tämän ilmiön.

5. Pintajännitys

Monet ihmiset muistavat kokeita nestefilmeillä, joita esitettiin koulun fysiikan tunneilla. Pieni lankakehys, jossa oli toinen liikkuva puoli, kastettiin saippuaveteen ja vedettiin sitten ulos. Kehälle muodostuneen kalvon pintajännitysvoimat nostivat rungon alempaa liikkuvaa osaa. Jotta se pysyisi liikkumattomana, siihen ripustettiin paino, kun koe toistettiin.

Tämä ilmiö voidaan havaita siivilässä - käytön jälkeen näiden keittiövälineiden pohjassa oleviin reikiin jää vettä. Sama ilmiö on havaittavissa haarukoiden pesun jälkeen - joidenkin hampaiden välissä on myös vesiraitoja sisäpinnalla.

Nesteiden fysiikka selittää tämän ilmiön seuraavasti: nestemolekyylit ovat niin lähellä toisiaan, että niiden väliset vetovoimat synnyttävät pintajännityksen vapaan pinnan tasossa. Jos nestekalvon vesimolekyylien vetovoima on heikompi kuin vetovoima siivilän pintaan, vesikalvo rikkoutuu.

Pintajännitysvoimat ovat myös havaittavissa, kun kaadamme muroja tai herneitä, papuja kattilaan veden kanssa tai lisäämme pyöreitä pippurin jyviä. Jotkut jyvät jäävät veden pinnalle, kun taas suurin osa uppoaa pohjaan muiden painon alla. Jos painat kelluvia jyviä kevyesti sormenpäällä tai lusikalla, ne ylittävät veden pintajännityksen ja vajoavat pohjaan.

6. Kostutus ja levitys

Läikkynyt neste voi muodostaa pieniä tahroja rasvalla päällystetylle liesille ja yksittäisen lätäkön pöydälle. Asia on siinä, että nestemolekyylit vetoavat ensimmäisessä tapauksessa enemmän toisiinsa kuin levyn pintaan, jossa on rasvakalvo, joka ei ole veden kostutettu, ja puhtaalla pöydällä vesimolekyylien vetovoiman molekyyleihin. pöydän pinta on korkeampi kuin vesimolekyylien vetovoima toisiinsa. Tämän seurauksena lätäkkö leviää.

Tämä ilmiö liittyy myös nesteiden fysiikkaan ja liittyy pintajännitykseen. Kuten tiedät, saippuakupla tai nestepisarat ovat pallomaisia pintajännitysvoimien vuoksi.

Pisarassa nestemolekyylit houkuttelevat toisiaan voimakkaammin kuin kaasumolekyylejä ja pyrkivät nestepisaran sisäpuolelle vähentäen sen pinta-alaa. Mutta jos on kiinteä kostutettu pinta, osa pisarasta kosketuksessa venyy sitä pitkin, koska kiinteän aineen molekyylit houkuttelevat nesteen molekyylejä ja tämä voima ylittää nesteen molekyylien välisen vetovoiman..

Kostutuksen ja leviämisen aste kiinteälle pinnalle riippuu siitä, kumpi voima on suurempi - nesteen molekyylien ja kiinteän aineen molekyylien vetovoima keskenään vai nesteen sisällä olevien molekyylien vetovoima.

Vuodesta 1938 lähtien tätä fysikaalista ilmiötä on käytetty laajalti teollisuudessa, taloustavaroiden valmistuksessa, kun DuPontin laboratoriossa syntetisoitiin teflon-materiaalia (polytetrafluorieteeni).

Sen ominaisuuksia ei käytetä vain tarttumattomien keittiövälineiden valmistuksessa, vaan myös vedenpitävien, vettä hylkivien kankaiden ja vaatteiden ja kenkien pinnoitteiden valmistuksessa. Guinnessin ennätystenkirja on tunnustanut teflonin maailman liukkaimpana aineena. Sen pintajännitys ja tarttuvuus (tarttuminen) on erittäin alhainen, se ei kastu vedellä, rasvalla tai monilla orgaanisilla liuottimilla.

7. Lämmönjohtavuus

Yksi yleisimmistä havaittavista ilmiöistä keittiössä on vedenkeittimen tai veden kuumeneminen kattilassa. Lämmönjohtavuus on lämmön siirtymistä hiukkasten liikkeen kautta, kun lämpötilassa on ero (gradientti). Lämmönjohtavuustyyppien joukossa on myös konvektio.

Identtisten aineiden tapauksessa nesteiden lämmönjohtavuus on pienempi kuin kiinteiden aineiden ja korkeampi kuin kaasujen. Kaasujen ja metallien lämmönjohtavuus kasvaa lämpötilan noustessa ja nesteiden pienenee. Kohtaamme jatkuvasti konvektiota, sekoitammepa sitten keittoa tai teetä lusikalla, avaammeko ikkunan tai laitamme ilmanvaihdon päälle keittiön tuulettamiseksi.

Konvektio - latinasta convectiō (siirto) - eräänlainen lämmönsiirto, kun kaasun tai nesteen sisäinen energia siirretään suihkuilla ja virroilla. Tee ero luonnollisen konvektion ja pakotetun välillä. Ensimmäisessä tapauksessa neste- tai ilmakerrokset sekoittuvat itse kuumennettaessa tai jäähdytettäessä. Ja toisessa tapauksessa nesteen tai kaasun mekaaninen sekoitus - lusikalla, tuulettimella tai muulla tavalla.

8. Sähkömagneettinen säteily

Mikroaaltouunia kutsutaan joskus mikroaaltouuniksi tai mikroaaltouuniksi. Jokaisen mikroaaltouunin pääelementti on magnetroni, joka muuntaa sähköenergian mikroaaltomagneettiseksi säteilyksi, jonka taajuus on jopa 2,45 gigahertsin (GHz). Säteily lämmittää ruokaa olemalla vuorovaikutuksessa sen molekyylien kanssa.

Tuotteet sisältävät dipolimolekyylejä, jotka sisältävät positiivisia sähköisiä ja negatiivisia varauksia vastakkaisissa osissaan.

Nämä ovat rasvojen, sokerin molekyylejä, mutta suurin osa dipolimolekyyleistä on vedessä, jota löytyy melkein mistä tahansa tuotteesta. Mikroaaltokenttä, joka muuttaa jatkuvasti suuntaansa, saa molekyylit värähtelemään korkealla taajuudella, jotka asettuvat linjaan voimalinjoja pitkin niin, että molekyylien kaikki positiivisesti varautuneet osat "näkevät" yhteen tai toiseen suuntaan. Syntyy molekyylikitkaa, vapautuu energiaa, joka lämmittää ruoan.

9. Induktio

Keittiöstä löytyy yhä enemmän tähän ilmiöön perustuvia induktioliesiä. Englantilainen fyysikko Michael Faraday löysi sähkömagneettisen induktion vuonna 1831, ja siitä lähtien on ollut mahdotonta kuvitella elämäämme ilman sitä.

Faraday havaitsi sähkövirran esiintymisen suljetussa silmukassa johtuen tämän silmukan läpi kulkevan magneettivuon muutoksesta. Koulukokemus tunnetaan, kun litteä magneetti liikkuu johtimen (solenoidin) spiraalimaisen piirin sisällä ja siihen ilmestyy sähkövirta. On myös käänteinen prosessi - vaihtosähkövirta solenoidissa (kelassa) luo vaihtomagneettikentän.

Nykyaikainen induktioliesi toimii samalla periaatteella. Tällaisen kiukaan lasikeraamisen lämmityspaneelin (neutraali sähkömagneettisille värähtelyille) alla on induktiokäämi, jonka läpi virtaa sähkövirtaa taajuudella 20-60 kHz luoden vaihtomagneettikentän, joka indusoi pyörrevirtoja ohuessa kerroksessa. (ihokerros) metalliastian pohjalle.

Sähkövastus lämmittää astiat. Nämä virrat eivät ole vaarallisempia kuin punakuumat astiat tavallisissa liesissä. Keittoastioiden tulee olla terästä tai valurautaa, joilla on ferromagneettisia ominaisuuksia (houkuttele magneetti).

10. Valon taittuminen

Valon tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma, ja luonnonvalon tai lamppujen valon eteneminen selittyy kaksois-aaltohiukkasluonteella: toisaalta nämä ovat sähkömagneettisia aaltoja, ja toisaalta, hiukkaset-fotonit, jotka liikkuvat suurimmalla mahdollisella nopeudella universumissa.

Keittiössä voit tarkkailla sellaista optista ilmiötä kuin valon taittuminen. Esimerkiksi kun keittiön pöydällä on läpinäkyvä kukkamaljakko, vedessä olevat varret näyttävät siirtyvän vedenpinnan rajalla suhteessa niiden jatkumiseen nesteen ulkopuolella. Tosiasia on, että vesi, kuten linssi, taittaa maljakon varresta heijastuneita valonsäteitä.

Samanlainen asia havaitaan läpinäkyvässä lasissa teetä, johon kastetaan lusikka. Voit myös nähdä vääristyneen ja suurennetun kuvan papuista tai viljoista syvän kirkasta vettä sisältävän kattilan pohjalla.