Učimo fiziku i učimo djecu ne izlazeći iz kuhinje

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Svaki dan provedemo 1-2 sata u kuhinji. Netko manje, netko više. S obzirom na to, rijetko kada razmišljamo o fizičkim pojavama kada kuhamo doručak, ručak ili večeru. Ali ne može biti veće koncentracije njih u svakodnevnim uvjetima nego u kuhinji, u stanu. Dobra prilika da djeci objasnite fiziku!

1. Difuzija

U kuhinji se stalno suočavamo s ovim fenomenom. Njegovo ime potječe od latinskog diffusio - interakcija, raspršivanje, distribucija.

To je proces međusobnog prodiranja molekula ili atoma dviju susjednih tvari. Brzina difuzije proporcionalna je površini poprečnog presjeka tijela (volumen), te razlici u koncentracijama, temperaturama miješanih tvari. Ako postoji temperaturna razlika, onda ona postavlja smjer širenja (gradijent) - od toplog do hladnog. Kao rezultat, dolazi do spontanog usklađivanja koncentracija molekula ili atoma.

Taj se fenomen može promatrati u kuhinji kada se mirisi šire. Zahvaljujući difuziji plinova, sjedeći u drugoj prostoriji, možete razumjeti što se kuha. Kao što znate, prirodni plin je bez mirisa i dodaje mu se aditiv kako bi se lakše otkrilo curenje plina iz kućanstava.

Odorant kao što je etil merkaptan dodaje oštar miris. Ako se plamenik ne upali prvi put, tada možemo osjetiti specifičan miris, koji od djetinjstva poznajemo kao miris plina za kućanstvo.

A ako zrnca čaja ili vrećicu čaja bacite u kipuću vodu i ne miješate, možete vidjeti kako se čajna infuzija širi u volumenu čiste vode.

Ovo je difuzija tekućina. Primjer difuzije u krutini bilo bi soljenje rajčice, krastavca, gljiva ili kupusa. Kristali soli u vodi razgrađuju se na ione Na i Cl, koji, krećući se kaotično, prodiru između molekula tvari u sastavu povrća ili gljiva.

2. Promjena stanja agregacije

Malo nas je primijetilo da u lijevoj čaši vode nakon nekoliko dana ispari isti dio vode na sobnoj temperaturi kao pri kuhanju 1-2 minute. A kada zamrznemo hranu ili vodu za kockice leda u hladnjaku, ne razmišljamo o tome kako se to događa.

U međuvremenu, ovi najčešći i najčešći kuhinjski fenomeni lako se objašnjavaju. Tekućina ima međustanje između krutih tvari i plinova.

Na temperaturama različitim od vrenja ili smrzavanja, sile privlačenja između molekula u tekućini nisu tako jake ili slabe kao u krutim tvarima i plinovima. Stoga, na primjer, samo primajući energiju (od sunčevih zraka, molekula zraka na sobnoj temperaturi), molekule tekućine s otvorene površine postupno prelaze u plinovitu fazu, stvarajući tlak pare iznad površine tekućine.

Brzina isparavanja raste s povećanjem površine tekućine, povećanjem temperature i smanjenjem vanjskog tlaka. Ako se temperatura poveća, tada tlak pare ove tekućine doseže vanjski tlak. Temperatura na kojoj se to događa naziva se vrelište. Vrelište se smanjuje sa smanjenjem vanjskog tlaka. Stoga u planinskim područjima voda brže ključa.

Suprotno tome, kada temperatura padne, molekule vode gube svoju kinetičku energiju do razine sila privlačenja među sobom. Više se ne kreću kaotično, što omogućuje stvaranje kristalne rešetke poput one u krutim tvarima. Temperatura od 0°C na kojoj se to događa naziva se ledište vode.

Kada se smrzne, voda se širi. Mnogi su se mogli upoznati s ovim fenomenom kada su plastičnu bocu s pićem stavili u zamrzivač za brzo hlađenje i zaboravili na nju, a onda je boca pukla. Kada se ohladi na temperaturu od 4 ° C, prvo se opaža povećanje gustoće vode, pri čemu se postižu njezina maksimalna gustoća i minimalni volumen. Zatim, na temperaturama od 4 do 0 ° C, dolazi do preuređivanja veza u molekuli vode, a njena struktura postaje manje gusta.

Pri temperaturi od 0 °C, tekuća faza vode prelazi u krutu. Nakon što se voda potpuno smrzne i pretvori u led, njezin volumen raste za 8,4%, što dovodi do pucanja plastične boce. Sadržaj tekućine u mnogim proizvodima je nizak, pa se ne povećavaju tako osjetno kada su zamrznuti.

3. Apsorpcija i adsorpcija

Ove dvije gotovo nerazdvojive pojave, nazvane od latinskog sorbeo (upijati), opažaju se, na primjer, kada se voda zagrijava u kotliću ili loncu. Plin koji kemijski ne djeluje na tekućinu ona se ipak može apsorbirati u dodiru s njom. Taj se fenomen naziva apsorpcija.

Kada se plinovi apsorbiraju od strane čvrstih sitnozrnatih ili poroznih tijela, većina ih se gusto nakuplja i zadržava na površini pora ili zrna te se ne raspoređuje po cijelom volumenu. U ovom slučaju, proces se naziva adsorpcija. Ove se pojave mogu primijetiti pri kipućoj vodi - mjehurići se odvajaju od stijenki lonca ili kotlića kada se zagrijavaju.

Zrak koji se oslobađa iz vode sadrži 63% dušika i 36% kisika. Općenito, atmosferski zrak sadrži 78% dušika i 21% kisika.

Kuhinjska sol u nepokrivenoj posudi može postati mokra zbog svojih higroskopnih svojstava – apsorpcije vodene pare iz zraka. A soda bikarbona djeluje kao adsorbent kada se stavi u hladnjak kako bi uklonila mirise.

4. Manifestacija Arhimedova zakona

Kada smo spremni za kuhanje piletine, lonac napunimo vodom oko pola ili ¾, ovisno o veličini piletine. Potapanjem trupa u lonac s vodom uočavamo da se težina piletine u vodi osjetno smanjuje, a voda se diže do rubova lonca.

Ovaj fenomen se objašnjava silom uzgona ili Arhimedovim zakonom. U tom slučaju na tijelo uronjeno u tekućinu djeluje sila uzgona, jednaka težini tekućine u volumenu potopljenog dijela tijela. Ta se sila naziva Arhimedova sila, kao i sam zakon, koji objašnjava ovaj fenomen.

5. Površinska napetost

Mnogi se sjećaju eksperimenata s filmovima tekućina, koji su se prikazivali na satovima fizike u školi. Mali žičani okvir s jednom pomičnom stranom umočen je u sapunastu vodu i zatim izvučen. Sile površinske napetosti u filmu formiranom duž perimetra podigle su donji pomični dio okvira. Kako bi ostao nepomičan, pri ponovljenom eksperimentu s njega je visio uteg.

Taj se fenomen može promatrati u cjedilu - nakon upotrebe voda ostaje u rupama na dnu ovih kuhinjskih posuđa. Isti se fenomen može primijetiti i nakon pranja vilica - na unutarnjoj površini između nekih zuba također su tragovi vode.

Fizika tekućina objašnjava ovaj fenomen na sljedeći način: molekule tekućine su toliko blizu jedna drugoj da sile privlačenja između njih stvaraju površinsku napetost u ravnini slobodne površine. Ako je sila privlačenja molekula vode tekućeg filma slabija od sile privlačenja na površinu cjedila, tada se vodeni film puca.

Također, uočljive su sile površinske napetosti kada u lonac s vodom ulijemo žitarice ili grašak, grah ili dodamo okrugla zrna papra. Dio zrna ostat će na površini vode, dok će većina potonuti na dno pod teretom ostalih. Ako vrhom prsta ili žlicom lagano pritisnete na plutajuća zrna, ona će prevladati površinsku napetost vode i potonuti na dno.

6. Vlaženje i širenje

Prolivena tekućina može stvoriti male mrlje na peći premazanoj masnoćom i jednu lokvicu na stolu. Stvar je u tome da se molekule tekućine u prvom slučaju više privlače jedna prema drugoj nego prema površini ploče, gdje postoji masni film koji nije navlažen vodom, a na čistom stolu privlačenje molekula vode prema molekulama površina stola je veća od privlačenja molekula vode jedna prema drugoj. Kao rezultat toga, lokva se širi.

Ovaj fenomen je također povezan s fizikom tekućina i povezan je s površinskom napetosti. Kao što znate, mjehur od sapunice ili kapljice tekućine imaju sferni oblik zbog sila površinske napetosti.

U kapljici se molekule tekućine međusobno privlače jače nego molekule plina i teže unutrašnjosti kapljice tekućine, smanjujući njezinu površinu. Ali, ako postoji čvrsta navlažena površina, tada se dio kapljice pri kontaktu rasteže duž nje, jer molekule krute tvari privlače molekule tekućine, a ta sila premašuje silu privlačenja između molekula tekućine.

Stupanj vlaženja i širenja po čvrstoj površini ovisit će o tome koja je sila veća - sila privlačenja molekula tekućine i molekula krutine između sebe ili sila privlačenja molekula unutar tekućine.

Od 1938. godine ovaj se fizički fenomen naširoko koristi u industriji, u proizvodnji predmeta za kućanstvo, kada je u laboratoriju DuPont sintetiziran teflonski (politetrafluoroetilen) materijal.

Njegova se svojstva koriste ne samo u proizvodnji neljepljivog posuđa, već i u proizvodnji vodootpornih, vodoodbojnih tkanina i premaza za odjeću i obuću. Teflon je u Guinnessovoj knjizi rekorda prepoznat kao najskliskija tvar na svijetu. Ima vrlo nisku površinsku napetost i prianjanje (ljepljenje), ne vlaži se vodom, mašću ili mnogim organskim otapalima.

7. Toplinska vodljivost

Jedna od najčešćih pojava u kuhinji koju možemo primijetiti je zagrijavanje kuhala za vodu ili vode u loncu. Toplinska vodljivost je prijenos topline kroz kretanje čestica kada postoji razlika (gradijent) u temperaturi. Među vrstama toplinske vodljivosti postoji i konvekcija.

U slučaju identičnih tvari, toplinska vodljivost tekućina manja je od krutih tvari, a veća od plinova. Toplinska vodljivost plinova i metala raste s porastom temperature, a tekućina opada. Neprestano smo suočeni s konvekcijom, bilo da žlicom miješamo juhu ili čaj, ili otvorimo prozor, ili uključimo ventilaciju da prozračimo kuhinju.

Konvekcija - od latinskog convectiō (prijenos) - vrsta prijenosa topline kada se unutarnja energija plina ili tekućine prenosi mlazovima i strujama. Razlikovati prirodnu konvekciju i prisilnu. U prvom slučaju, slojevi tekućine ili zraka sami se miješaju kada se zagrijavaju ili hlade. A u drugom slučaju dolazi do mehaničkog miješanja tekućine ili plina - žlicom, ventilatorom ili na drugi način.

8. Elektromagnetsko zračenje

Mikrovalna pećnica se ponekad naziva mikrovalna pećnica ili mikrovalna pećnica. Glavni element svake mikrovalne pećnice je magnetron, koji pretvara električnu energiju u mikrovalno elektromagnetsko zračenje frekvencije do 2,45 gigaherca (GHz). Zračenje zagrijava hranu interakcijom s njezinim molekulama.

Proizvodi sadrže dipolne molekule koje sadrže pozitivne električne i negativne naboje na svojim suprotnim dijelovima.

To su molekule masti, šećera, ali najviše je dipolnih molekula u vodi, koja se nalazi u gotovo svakom proizvodu. Mikrovalno polje, neprestano mijenjajući svoj smjer, tjera molekule da vibriraju visokom frekvencijom, koje se poredaju duž linija sile tako da svi pozitivno nabijeni dijelovi molekula "gledaju" u jednom ili drugom smjeru. Nastaje molekularno trenje, oslobađa se energija koja zagrijava hranu.

9. Indukcija

U kuhinji se sve češće mogu naći indukcijska kuhala, koja se temelje na ovom fenomenu. Engleski fizičar Michael Faraday otkrio je elektromagnetsku indukciju 1831. godine i od tada je nemoguće zamisliti naš život bez nje.

Faraday je otkrio pojavu električne struje u zatvorenoj petlji zbog promjene magnetskog toka koji prolazi kroz ovu petlju. Poznato je školsko iskustvo kada se ravni magnet pomiče unutar spiralnog kruga žice (solenoida), a u njemu se pojavi električna struja. Postoji i obrnuti proces - izmjenična električna struja u solenoidu (zavojnici) stvara izmjenično magnetsko polje.

Moderno indukcijsko kuhalo radi na istom principu. Ispod staklokeramičke grijaće ploče (neutralne na elektromagnetske oscilacije) takve peći nalazi se indukcijska zavojnica kroz koju teče električna struja frekvencije 20-60 kHz, stvarajući izmjenično magnetsko polje koje inducira vrtložne struje u tankom sloju (sloj kože) dna metalne posude.

Električni otpor zagrijava posuđe. Ove struje nisu ništa opasnije od užarenih jela na običnim štednjacima. Posuđe za kuhanje treba biti čelično ili lijevano željezo s feromagnetskim svojstvima (privući magnet).

10. Lom svjetlosti

Upadni kut svjetlosti jednak je kutu refleksije, a širenje prirodne svjetlosti ili svjetla iz svjetiljki objašnjava se dvojakom, valno-čestičnom prirodom: s jedne strane, to su elektromagnetski valovi, a s druge, čestice-fotoni, koji se kreću maksimalnom mogućom brzinom u Svemiru.

U kuhinji možete promatrati takav optički fenomen kao što je lom svjetlosti. Na primjer, kada se na kuhinjskom stolu nalazi prozirna vaza s cvijećem, čini se da se stabljike u vodi pomiču na granici površine vode u odnosu na njihov nastavak izvan tekućine. Činjenica je da voda, poput leće, lomi zrake svjetlosti reflektirane od stabljika u vazi.

Slično se opaža i u prozirnoj čaši čaja, u koju je umočena žlica. Također možete vidjeti iskrivljenu i uvećanu sliku graha ili žitarica na dnu dubokog lonca s čistom vodom.