Mēs mācāmies fiziku un mācām bērnus, neizejot no virtuves

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Katru dienu virtuvē pavadām 1-2 stundas. Kāds mazāk, kāds vairāk. Tomēr mēs reti domājam par fiziskām parādībām, kad gatavojam brokastis, pusdienas vai vakariņas. Taču ikdienas apstākļos nevar būt lielāka to koncentrācija kā virtuvē, dzīvoklī. Laba iespēja izskaidrot bērniem fiziku!

1. Difūzija

Mēs pastāvīgi saskaramies ar šo parādību virtuvē. Tās nosaukums ir atvasināts no latīņu valodas diffusio - mijiedarbība, izkliedēšana, izplatīšana.

Tas ir divu blakus esošo vielu molekulu vai atomu savstarpējas iespiešanās process. Difūzijas ātrums ir proporcionāls ķermeņa šķērsgriezuma laukumam (tilpumam) un jaukto vielu koncentrācijas, temperatūras starpībai. Ja ir temperatūras starpība, tad tas nosaka izplatīšanās virzienu (gradientu) - no karsta uz aukstu. Tā rezultātā notiek spontāna molekulu vai atomu koncentrāciju izlīdzināšana.

Šo parādību var novērot virtuvē, kad smakas izplatās. Pateicoties gāzu difūzijai, sēžot citā telpā, var saprast, ko gatavo. Kā zināms, dabasgāze ir bez smaržas un tai ir pievienota piedeva, lai būtu vieglāk konstatēt sadzīves gāzes noplūdi.

Smaržviela, piemēram, etilmerkaptāns, piešķir asu smaku. Ja deglis neiedegas pirmajā reizē, tad varam sajust specifisku smaku, ko no bērnības pazīstam kā sadzīves gāzes smaku.

Un, iemetot verdošā ūdenī tējas graudiņus vai tējas maisiņu un nemaisot, var redzēt, kā tējas uzlējums izplatās tīra ūdens tilpumā.

Tā ir šķidrumu difūzija. Difūzijas piemērs cietā vielā varētu būt tomātu, gurķu, sēņu vai kāpostu sālīšana. Sāls kristāli ūdenī sadalās Na un Cl jonos, kas, haotiski kustoties, iekļūst starp dārzeņu vai sēņu sastāvā esošo vielu molekulām.

2. Agregācijas stāvokļa maiņa

Reti kurš no mums pamanīja, ka atstātā ūdens glāzē pēc dažām dienām istabas temperatūrā iztvaiko tāda pati ūdens daļa kā vārot 1-2 minūtes. Un, kad ledusskapī sasaldējam pārtiku vai ūdeni ledus kubiņiem, mēs nedomājam par to, kā tas notiek.

Tikmēr šīs visizplatītākās un izplatītākās virtuves parādības ir viegli izskaidrojamas. Šķidrumam ir starpstāvoklis starp cietām vielām un gāzēm.

Temperatūrā, kas atšķiras no vārīšanās vai sasalšanas, pievilkšanās spēki starp molekulām šķidrumā nav tik spēcīgi vai vāji kā cietās vielās un gāzēs. Tāpēc, piemēram, tikai saņemot enerģiju (no saules stariem, gaisa molekulām istabas temperatūrā), šķidrās molekulas no atvērtās virsmas pamazām pāriet gāzes fāzē, radot tvaika spiedienu virs šķidruma virsmas.

Iztvaikošanas ātrums palielinās, palielinoties šķidruma virsmas laukumam, paaugstinoties temperatūrai un samazinoties ārējam spiedienam. Ja temperatūra tiek paaugstināta, šī šķidruma tvaika spiediens sasniedz ārējo spiedienu. Temperatūru, kurā tas notiek, sauc par viršanas temperatūru. Viršanas temperatūra samazinās, samazinoties ārējam spiedienam. Tāpēc kalnu apvidos ūdens vārās ātrāk.

Un otrādi, kad temperatūra pazeminās, ūdens molekulas zaudē savu kinētisko enerģiju līdz savstarpējo pievilkšanās spēku līmenim. Tie vairs nepārvietojas haotiski, kas ļauj veidot kristāla režģi, piemēram, cietām vielām. 0 ° C temperatūru, kurā tas notiek, sauc par ūdens sasalšanas punktu.

Kad sasalst, ūdens izplešas. Ar šo parādību daudzi varēja iepazīties, kad plastmasas pudeli ar dzērienu ielika saldētavā ātrai atdzesēšanai un aizmirsa par to, un tad pudele plīsa. Atdzesējot līdz 4 ° C temperatūrai, vispirms tiek novērots ūdens blīvuma pieaugums, pie kura tiek sasniegts tā maksimālais blīvums un minimālais tilpums. Tad temperatūrā no 4 līdz 0 ° C ūdens molekulā notiek saišu pārkārtošanās, un tās struktūra kļūst mazāk blīva.

0 ° C temperatūrā ūdens šķidrā fāze mainās uz cietu. Pēc tam, kad ūdens pilnībā sasalst un pārvēršas ledū, tā tilpums palielinās par 8,4%, kas noved pie plastmasas pudeles plīšanas. Šķidruma saturs daudzos produktos ir zems, tāpēc saldējot tie tik jūtami nepalielinās.

3. Absorbcija un adsorbcija

Šīs divas gandrīz neatdalāmās parādības, kas sauktas no latīņu valodas sorbeo (uzsūkties), tiek novērotas, piemēram, sildot ūdeni tējkannā vai katliņā. Gāzi, kas ķīmiski neiedarbojas uz šķidrumu, tā tomēr var absorbēt, saskaroties ar šķidrumu. Šo parādību sauc par absorbciju.

Gāzes absorbējot cietos smalkgraudainos vai porainos ķermeņos, lielākā daļa no tām blīvi uzkrājas un saglabājas uz poru vai graudu virsmas un netiek izplatītas visā tilpumā. Šajā gadījumā procesu sauc par adsorbciju. Šīs parādības var novērot vārot ūdeni – karsējot no katliņa vai tējkannas sieniņām atdalās burbuļi.

No ūdens izdalītais gaiss satur 63% slāpekļa un 36% skābekļa. Kopumā atmosfēras gaiss satur 78% slāpekļa un 21% skābekļa.

Ēdamā sāls neaizsegtā traukā var kļūt mitra, pateicoties tā higroskopiskajām īpašībām – ūdens tvaiku uzsūkšanai no gaisa. Un cepamā soda darbojas kā adsorbents, kad to ievieto ledusskapī, lai noņemtu smakas.

4. Arhimēda likuma izpausme

Kad esam gatavi vistas gatavošanai, katlu piepildām ar ūdeni apmēram uz pusi vai ¾, atkarībā no vistas lieluma. Iegremdējot liemeni katlā ar ūdeni, mēs pamanām, ka vistas svars ūdenī manāmi samazinās, un ūdens paceļas līdz katla malām.

Šī parādība ir izskaidrojama ar peldspējas spēku jeb Arhimēda likumu. Šajā gadījumā uz šķidrumā iegremdētu ķermeni iedarbojas peldošais spēks, kas ir vienāds ar šķidruma svaru iegremdētās ķermeņa daļas tilpumā. Šo spēku sauc par Arhimēda spēku, tāpat kā pašu likumu, kas izskaidro šo parādību.

5. Virsmas spraigums

Daudzi atceras eksperimentus ar šķidrumu filmām, ko rādīja skolā fizikas stundās. Neliels stiepļu rāmis ar vienu kustīgu pusi tika iemērkts ziepjūdenī un pēc tam izvilkts. Pa perimetru izveidotajā plēvē virsmas spraiguma spēki pacēla rāmja apakšējo kustīgo daļu. Lai to nekustinātu, eksperimenta atkārtošanas laikā no tā tika piekārts svars.

Šo parādību var novērot caurdurī – pēc lietošanas šo virtuves piederumu apakšā esošajās atverēs paliek ūdens. Tāda pati parādība novērojama arī pēc dakšu mazgāšanas – uz iekšējās virsmas starp dažiem zobiem ir arī ūdens svītras.

Šķidrumu fizika šo parādību skaidro šādi: šķidruma molekulas atrodas tik tuvu viena otrai, ka pievilkšanās spēki starp tām rada virsmas spraigumu brīvās virsmas plaknē. Ja šķidrās plēves ūdens molekulu pievilkšanas spēks ir vājāks par pievilkšanās spēku pret caurdura virsmu, tad ūdens plēve saplīst.

Tāpat virsmas spraiguma spēki ir jūtami, kad katliņā ar ūdeni beram graudaugus vai zirņus, pupiņas vai pievienojam apaļus piparu graudiņus. Daži graudi paliks uz ūdens virsmas, savukārt lielākā daļa no pārējā svara nogrims dibenā. Ja ar pirksta galu vai karoti viegli uzspiedīsiet uz peldošajiem graudiņiem, tie pārvarēs ūdens virsmas spraigumu un nogrims dibenā.

6. Mitrināšana un izkliedēšana

Izlijis šķidrums var veidot nelielus traipus uz plīts, kas pārklāta ar taukiem, un vienu peļķi uz galda. Lieta ir tāda, ka pirmajā gadījumā šķidrās molekulas vairāk pievelkas viena otrai, nevis plāksnes virsmai, kur ir tauku plēve, kas nav samitrināta ar ūdeni, un uz tīra galda ūdens molekulas piesaista šķīvju molekulas. galda virsma ir augstāka nekā ūdens molekulu pievilkšanās viena otrai. Rezultātā peļķe izplatās.

Šī parādība ir saistīta arī ar šķidrumu fiziku un ir saistīta ar virsmas spraigumu. Kā zināms, ziepju burbulim vai šķidruma pilieniem virsmas spraiguma spēku dēļ ir sfēriska forma.

Pilienā šķidruma molekulas tiek piesaistītas viena otrai spēcīgāk nekā gāzes molekulām un tiecas uz šķidruma piliena iekšpusi, samazinot tā virsmas laukumu. Bet, ja ir cieta samitrināta virsma, tad daļa piliena saskarē tiek izstiepta gar to, jo cietās vielas molekulas pievelk šķidruma molekulas, un šis spēks pārsniedz pievilkšanas spēku starp šķidruma molekulām..

Mitrināšanas un izkliedēšanas pakāpe pa cietu virsmu būs atkarīga no tā, kurš spēks ir lielāks - šķidruma molekulu un cietas vielas molekulu pievilkšanās spēks savā starpā vai molekulu pievilkšanās spēks šķidrumā.

Kopš 1938. gada šī fizikālā parādība tiek plaši izmantota rūpniecībā, sadzīves preču ražošanā, kad DuPont laboratorijā tika sintezēts teflona (politetrafluoretilēna) materiāls.

Tās īpašības tiek izmantotas ne tikai nepiedegošu trauku ražošanā, bet arī ūdensnecaurlaidīgu, ūdeni atgrūdošu audumu un apģērbu un apavu pārklājumu ražošanā. Teflons Ginesa rekordu grāmatā ir atzīts par pasaulē slidenāko vielu. Tam ir ļoti zems virsmas spraigums un adhēzija (lipšana), tas nav samitrināts ar ūdeni, taukiem vai daudziem organiskiem šķīdinātājiem.

7. Siltumvadītspēja

Viena no visbiežāk sastopamajām parādībām virtuvē, ko varam novērot, ir tējkannas vai ūdens uzkarsēšana katliņā. Siltumvadītspēja ir siltuma pārnešana caur daļiņu kustību, kad ir temperatūras atšķirība (gradients). Starp siltumvadītspējas veidiem ir arī konvekcija.

Identisku vielu gadījumā šķidrumu siltumvadītspēja ir mazāka nekā cietām vielām un augstāka nekā gāzēm. Gāzu un metālu siltumvadītspēja palielinās, paaugstinoties temperatūrai, un šķidrumu siltumvadītspēja samazinās. Mēs pastāvīgi saskaramies ar konvekciju neatkarīgi no tā, vai mēs maisām zupu vai tēju ar karoti, vai atveram logu, vai ieslēdzam ventilāciju, lai izvēdinātu virtuvi.

Konvekcija - no latīņu valodas convectiō (pārnešana) - siltuma pārneses veids, kad gāzes vai šķidruma iekšējā enerģija tiek pārnesta ar strūklu un straumēm. Atšķirt dabisko konvekciju un piespiedu. Pirmajā gadījumā šķidruma vai gaisa slāņi paši tiek sajaukti sildot vai atdzesējot. Un otrajā gadījumā notiek mehāniska šķidruma vai gāzes sajaukšana - ar karoti, ventilatoru vai citā veidā.

8. Elektromagnētiskais starojums

Mikroviļņu krāsni dažreiz sauc par mikroviļņu krāsni vai mikroviļņu krāsni. Katras mikroviļņu krāsns galvenais elements ir magnetrons, kas pārvērš elektrisko enerģiju mikroviļņu elektromagnētiskajā starojumā ar frekvenci līdz 2,45 gigaherciem (GHz). Radiācija silda pārtiku, mijiedarbojoties ar tās molekulām.

Produkti satur dipola molekulas, kuru pretējās daļās ir pozitīvi elektriskie un negatīvie lādiņi.

Tās ir tauku, cukura molekulas, bet lielākā daļa no dipola molekulām atrodas ūdenī, kas atrodams gandrīz jebkurā produktā. Mikroviļņu lauks, nepārtraukti mainot virzienu, liek molekulām vibrēt ar augstu frekvenci, kas sarindojas pa spēka līnijām tā, ka visas molekulu pozitīvi lādētās daļas "skatās" vienā vai otrā virzienā. Rodas molekulārā berze, izdalās enerģija, kas silda pārtiku.

9. Indukcija

Virtuvē arvien biežāk var atrast indukcijas plītis, kuru pamatā ir šī parādība. Angļu fiziķis Maikls Faradejs atklāja elektromagnētisko indukciju 1831. gadā, un kopš tā laika mūsu dzīvi bez tās vairs nav iespējams iedomāties.

Faradejs atklāja elektriskās strāvas rašanos slēgtā cilpā, mainoties magnētiskajai plūsmai, kas iet caur šo cilpu. Skolas pieredze ir zināma, kad plakans magnēts pārvietojas stieples (solenoīda) spirālveida ķēdē, un tajā parādās elektriskā strāva. Ir arī apgriezts process - mainīga elektriskā strāva solenoīdā (spolē) rada mainīgu magnētisko lauku.

Mūsdienīga indukcijas plīts darbojas pēc tāda paša principa. Zem šādas plīts stikla keramikas sildīšanas paneļa (neitrāla pret elektromagnētiskajām svārstībām) atrodas indukcijas spole, caur kuru plūst elektriskā strāva ar frekvenci 20-60 kHz, radot mainīgu magnētisko lauku, kas plānā kārtā inducē virpuļstrāvas. (ādas slānis) no metāla trauka dibena.

Elektriskā pretestība uzsilda traukus. Šīs straumes nav bīstamākas par karstajiem ēdieniem uz parastajām plītīm. Virtuves traukiem jābūt no tērauda vai čuguna ar feromagnētiskām īpašībām (pievelciet magnētu).

10. Gaismas laušana

Gaismas krišanas leņķis ir vienāds ar atstarošanas leņķi, un dabiskās gaismas vai gaismas izplatīšanās no lampām ir izskaidrojama ar dubultu, viļņu daļiņu raksturu: no vienas puses, tie ir elektromagnētiskie viļņi, un, no otras puses, daļiņas-fotoni, kas pārvietojas ar maksimālo iespējamo ātrumu Visumā.

Virtuvē var novērot tādu optisku parādību kā gaismas laušana. Piemēram, ja uz virtuves galda atrodas caurspīdīga vāze ar ziediem, ūdenī esošie kāti, šķiet, pārvietojas pie ūdens virsmas robežas attiecībā pret to turpinājumu ārpus šķidruma. Fakts ir tāds, ka ūdens, tāpat kā lēca, lauž gaismas starus, kas atstarojas no vāzē esošajiem kātiem.

Līdzīga lieta vērojama caurspīdīgā tējas glāzē, kurā iemērkta karote. Jūs varat arī redzēt izkropļotu un palielinātu pupiņu vai graudaugu attēlu dziļa dzidra ūdens poda apakšā.