Învățăm fizică și învățăm copiii fără a părăsi bucătăria

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Petrecem 1-2 ore în bucătărie în fiecare zi. Cineva mai puțin, cineva mai mult. Acestea fiind spuse, rareori ne gândim la fenomene fizice atunci când gătim micul dejun, prânzul sau cina. Dar nu poate exista o concentrare mai mare a acestora în condițiile de zi cu zi decât în bucătărie, în apartament. Un bun prilej de a explica fizica copiilor!

1. Difuzia

Ne confruntăm constant cu acest fenomen în bucătărie. Numele său este derivat din latinescul diffusio - interacțiune, dispersie, distribuție.

Acesta este procesul de penetrare reciprocă a moleculelor sau atomilor a două substanțe alăturate. Rata de difuzie este proporțională cu aria secțiunii transversale a corpului (volum) și diferența de concentrații, temperaturi ale substanțelor amestecate. Dacă există o diferență de temperatură, atunci stabilește direcția de propagare (gradient) - de la cald la rece. Ca urmare, are loc alinierea spontană a concentrațiilor de molecule sau atomi.

Acest fenomen poate fi observat în bucătărie când mirosurile se răspândesc. Datorită difuziei gazelor, stând într-o altă cameră, puteți înțelege ce se gătește. După cum știți, gazul natural este inodor și i se adaugă un aditiv pentru a facilita detectarea scurgerilor de gaz menajer.

Un odorant precum etil mercaptan adaugă un miros înțepător. Dacă arzătorul nu se aprinde prima dată, atunci putem simți un anumit miros, pe care îl cunoaștem din copilărie ca fiind miros de gaz menajer.

Iar dacă arunci boabe de ceai sau un pliculeț de ceai în apă clocotită și nu amesteci, poți vedea cum se întinde infuzia de ceai în volumul de apă pură.

Aceasta este difuzia lichidelor. Un exemplu de difuzie într-un solid ar fi sărarea roșiilor, castraveților, ciupercilor sau varzei. Cristalele de sare din apă se descompun în ioni de Na și Cl, care, mișcându-se haotic, pătrund între moleculele de substanțe din compoziția legumelor sau a ciupercilor.

2. Schimbarea stării de agregare

Puțini dintre noi am observat că într-un pahar de apă lăsat, după câteva zile, aceeași parte de apă se evaporă la temperatura camerei ca la fierbere timp de 1-2 minute. Și când înghețăm alimente sau apă pentru cuburi de gheață în frigider, nu ne gândim la cum se întâmplă acest lucru.

Între timp, aceste fenomene de bucătărie cele mai comune și obișnuite sunt ușor de explicat. Un lichid are o stare intermediară între solide și gaze.

La alte temperaturi decât cele de fierbere sau de îngheț, forțele de atracție dintre moleculele dintr-un lichid nu sunt la fel de puternice sau slabe ca în cazul solidelor și gazelor. Prin urmare, de exemplu, doar primind energie (din razele soarelui, molecule de aer la temperatura camerei), moleculele lichide de la suprafața deschisă trec treptat în faza gazoasă, creând o presiune de vapori deasupra suprafeței lichide.

Viteza de evaporare crește odată cu creșterea suprafeței lichidului, creșterea temperaturii și scăderea presiunii externe. Dacă temperatura crește, atunci presiunea de vapori a acestui lichid atinge presiunea externă. Temperatura la care se întâmplă acest lucru se numește punct de fierbere. Punctul de fierbere scade odată cu scăderea presiunii externe. Prin urmare, în zonele muntoase, apa fierbe mai repede.

În schimb, când temperatura scade, moleculele de apă își pierd energia cinetică la nivelul forțelor de atracție dintre ele. Ele nu se mai mișcă haotic, ceea ce permite formarea unei rețele cristaline precum cea a solidelor. Temperatura de 0 ° C la care se întâmplă acest lucru se numește punctul de îngheț al apei.

Când este înghețată, apa se dilată. Mulți oameni s-au putut familiariza cu acest fenomen atunci când au pus o sticlă de plastic cu o băutură în congelator pentru răcire rapidă și au uitat de asta, iar apoi sticla a izbucnit. Când este răcit la o temperatură de 4 ° C, se observă mai întâi o creștere a densității apei, la care se atinge densitatea maximă și volumul minim. Apoi, la temperaturi de la 4 la 0 ° C, are loc o rearanjare a legăturilor în molecula de apă, iar structura acesteia devine mai puțin densă.

La o temperatură de 0 ° C, faza lichidă a apei se transformă în solidă. După ce apa îngheață complet și se transformă în gheață, volumul acesteia crește cu 8, 4%, ceea ce duce la spargerea sticlei de plastic. Conținutul de lichid din multe produse este scăzut, astfel încât acestea nu cresc atât de vizibil în volum atunci când sunt congelate.

3. Absorbție și adsorbție

Aceste două fenomene aproape inseparabile, numite din latinescul sorbeo (a absorbi), se observă, de exemplu, la încălzirea apei într-un ibric sau o cratiță. Un gaz care nu acționează chimic asupra unui lichid poate fi totuși absorbit de acesta la contactul cu acesta. Acest fenomen se numește absorbție.

Atunci când gazele sunt absorbite de corpuri solide cu granulație fină sau poroase, cele mai multe dintre ele se acumulează dens și sunt reținute la suprafața porilor sau a boabelor și nu sunt distribuite în volum. În acest caz, procesul se numește adsorbție. Aceste fenomene pot fi observate la fierberea apei - bule se separă de pereții unei cratițe sau ai ceainicului atunci când sunt încălzite.

Aerul eliberat din apă conține 63% azot și 36% oxigen. În general, aerul atmosferic conține 78% azot și 21% oxigen.

Sarea de masă dintr-un recipient descoperit se poate umezi datorită proprietăților sale higroscopice - absorbția vaporilor de apă din aer. Iar bicarbonatul de sodiu actioneaza ca un adsorbant atunci cand este introdus in frigider pentru a elimina mirosurile.

4. Manifestarea legii lui Arhimede

Cand suntem gata sa gatim puiul, umplem oala cu apa cam jumatate sau ¾, in functie de marimea puiului. Prin scufundarea carcasei într-o oală cu apă, observăm că greutatea puiului în apă se reduce considerabil, iar apa se ridică până la marginile oalei.

Acest fenomen se explică prin forța de flotabilitate sau legea lui Arhimede. În acest caz, asupra unui corp scufundat într-un lichid acţionează o forţă de plutire, egală cu greutatea lichidului în volumul părţii scufundate a corpului. Această forță se numește forța lui Arhimede, ca și legea însăși, care explică acest fenomen.

5. Tensiune superficială

Mulți oameni își amintesc experimentele cu filme cu lichide, care au fost prezentate la lecțiile de fizică de la școală. Un mic cadru de sârmă cu o parte mobilă a fost scufundat în apă cu săpun și apoi scos. Forțele tensiunii superficiale din film formate de-a lungul perimetrului au ridicat partea inferioară mobilă a cadrului. Pentru a-l menține nemișcat, o greutate a fost suspendată de el atunci când experimentul a fost repetat.

Acest fenomen poate fi observat într-o strecurătoare - după utilizare, apa rămâne în găurile din fundul acestor ustensile de bucătărie. Același fenomen poate fi observat și după spălarea furcilor - există și dâre de apă pe suprafața interioară între unii dintre dinți.

Fizica lichidelor explică acest fenomen astfel: moleculele lichide sunt atât de apropiate unele de altele încât forțele de atracție dintre ele creează tensiune superficială în planul suprafeței libere. Dacă forța de atracție a moleculelor de apă ale peliculei lichide este mai slabă decât forța de atracție pe suprafața strecătoarei, atunci filmul de apă se rupe.

De asemenea, fortele tensiunii superficiale sunt sesizabile atunci cand turnam cereale sau mazare, fasole intr-o cratita cu apa, sau adaugam boabe rotunde de piper. Unele boabe vor rămâne la suprafața apei, în timp ce majoritatea se vor scufunda în fund sub greutatea celorlalte. Dacă apăsați ușor pe boabele plutitoare cu vârful degetului sau cu o lingură, acestea vor depăși tensiunea superficială a apei și se vor scufunda în fund.

6. Udarea și împrăștierea

Lichidul vărsat poate forma pete mici pe o sobă acoperită cu grăsime și o singură băltoacă pe masă. Chestia este că moleculele lichide din primul caz sunt mai atrase unele de altele decât de suprafața plăcii, unde există o peliculă grasă neumezită de apă, iar pe o masă curată atracția moleculelor de apă către moleculele de suprafața mesei este mai mare decât atracția moleculelor de apă unele față de altele. Ca urmare, balta se răspândește.

Acest fenomen este legat și de fizica lichidelor și este legat de tensiunea superficială. După cum știți, un balon de săpun sau picăturile de lichid au o formă sferică din cauza forțelor de tensiune superficială.

Într-o picătură, moleculele de lichid sunt atrase unele de altele mai puternic decât de moleculele de gaz și tind spre interiorul picăturii de lichid, reducându-i suprafața. Dar, dacă există o suprafață solidă umezită, atunci o parte a picăturii la contact este întinsă de-a lungul ei, deoarece moleculele solidului atrag moleculele lichidului, iar această forță depășește forța de atracție dintre moleculele lichidului..

Gradul de umezire și răspândire pe o suprafață solidă va depinde de forța care este mai mare - forța de atracție a moleculelor unui lichid și a moleculelor unui solid între ele sau forța de atracție a moleculelor din interiorul unui lichid.

Din 1938, acest fenomen fizic a fost utilizat pe scară largă în industrie, în producția de bunuri de uz casnic, când materialul de teflon (politetrafluoretilenă) a fost sintetizat în laboratorul DuPont.

Proprietățile sale sunt utilizate nu numai în fabricarea de vase de gătit antiaderente, ci și în fabricarea de țesături impermeabile, hidrofuge și acoperiri pentru haine și încălțăminte. Teflonul este recunoscut de Cartea Recordurilor Guinness drept cea mai alunecoasă substanță din lume. Are tensiune superficială și aderență (lipire) foarte scăzute, nu este umezit cu apă, grăsime sau mulți solvenți organici.

7. Conductivitate termică

Unul dintre cele mai frecvente fenomene din bucătărie pe care le putem observa este încălzirea unui ibric sau a apei într-o cratiță. Conductivitatea termică este transferul de căldură prin mișcarea particulelor atunci când există o diferență (gradient) de temperatură. Printre tipurile de conductivitate termică, există și convecția.

În cazul substanțelor identice, conductivitatea termică a lichidelor este mai mică decât cea a solidelor și mai mare decât cea a gazelor. Conductivitatea termică a gazelor și metalelor crește odată cu creșterea temperaturii, iar cea a lichidelor scade. Ne confruntăm constant cu convecția, fie că amestecăm supa sau ceaiul cu o lingură, fie că deschidem o fereastră, fie că pornim ventilația pentru a ventila bucătăria.

Convecția - din latinescul convectiō (transfer) - un tip de transfer de căldură atunci când energia internă a unui gaz sau lichid este transferată prin jeturi și curenți. Distingeți între convecția naturală și forțată. În primul caz, straturile de lichid sau de aer sunt ele însele amestecate atunci când sunt încălzite sau răcite. Și în al doilea caz, există o amestecare mecanică a unui lichid sau gaz - cu o lingură, ventilator sau în alt mod.

8. Radiația electromagnetică

Un cuptor cu microunde este uneori numit cuptor cu microunde sau cuptor cu microunde. Elementul principal al fiecărui cuptor cu microunde este un magnetron, care transformă energia electrică în radiații electromagnetice de microunde cu o frecvență de până la 2,45 gigaherți (GHz). Radiația încălzește alimentele interacționând cu moleculele sale.

Produsele conțin molecule dipol care conțin sarcini electrice pozitive și negative pe părțile opuse.

Acestea sunt molecule de grăsimi, zahăr, dar cele mai multe molecule de dipol sunt în apă, care se găsește în aproape orice produs. Câmpul de microunde, schimbându-și în mod constant direcția, face ca moleculele să vibreze cu frecvență înaltă, care se aliniază de-a lungul liniilor de forță, astfel încât toate părțile încărcate pozitiv ale moleculelor „să privească” într-o direcție sau alta. Apare frecarea moleculară, se eliberează energie, care încălzește alimentele.

9. Inductie

În bucătărie, găsești din ce în ce mai multe aragazuri cu inducție, care se bazează pe acest fenomen. Fizicianul englez Michael Faraday a descoperit inducția electromagnetică în 1831 și de atunci a fost imposibil să ne imaginăm viața fără ea.

Faraday a descoperit apariția unui curent electric într-o buclă închisă din cauza unei modificări a fluxului magnetic care trece prin această buclă. O experiență școlară este cunoscută atunci când un magnet plat se mișcă în interiorul unui circuit în formă de spirală al unui fir (solenoid) și în el apare un curent electric. Există, de asemenea, un proces invers - un curent electric alternativ într-un solenoid (bobină) creează un câmp magnetic alternativ.

Un aragaz modern cu inducție funcționează pe același principiu. Sub un panou de încălzire vitroceramic (neutru la oscilațiile electromagnetice) al unei astfel de sobe se află o bobină de inducție prin care trece un curent electric cu o frecvență de 20-60 kHz, creând un câmp magnetic alternativ care induce curenți turbionari într-un strat subțire. (stratul de piele) al fundului unui vas de metal.

Rezistența electrică încălzește vasele. Acești curenți nu sunt mai periculoși decât mâncărurile încinse de pe sobele obișnuite. Vasele de gătit trebuie să fie din oțel sau fontă cu proprietăți feromagnetice (atrage un magnet).

10. Refracția luminii

Unghiul de incidență al luminii este egal cu unghiul de reflexie, iar propagarea luminii naturale sau a luminii de la lămpi este explicată printr-o natură duală, undă-particulă: pe de o parte, acestea sunt unde electromagnetice, iar pe de altă parte, particule-fotoni, care se deplasează cu viteza maximă posibilă în Univers.

În bucătărie, puteți observa un astfel de fenomen optic precum refracția luminii. De exemplu, când există o vază transparentă cu flori pe masa de bucătărie, tulpinile din apă par să se deplaseze la limita suprafeței apei în raport cu continuarea lor în afara lichidului. Cert este că apa, ca o lentilă, refractă razele de lumină reflectate de tulpinile din vază.

Un lucru similar se observă într-un pahar transparent de ceai, în care se scufundă o lingură. De asemenea, puteți vedea o imagine distorsionată și mărită a fasolei sau a cerealelor pe fundul unui vas adânc cu apă limpede.