Vi lär oss fysik och undervisar barn utan att lämna köket

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Vi spenderar 1-2 timmar i köket varje dag. Någon mindre, någon mer. Med det sagt tänker vi sällan på fysiska fenomen när vi lagar frukost, lunch eller middag. Men det kan inte finnas någon större koncentration av dem under vardagliga förhållanden än i köket, i lägenheten. Ett bra tillfälle att förklara fysik för barn!

1. Diffusion

Vi står ständigt inför detta fenomen i köket. Dess namn kommer från latinets diffusio - interaktion, spridning, distribution.

Detta är processen för ömsesidig penetrering av molekyler eller atomer av två angränsande ämnen. Diffusionshastigheten är proportionell mot kroppens tvärsnittsarea (volym) och skillnaden i koncentrationer, temperaturer för de blandade ämnena. Om det finns en temperaturskillnad, ställer den in utbredningsriktningen (gradient) - från varmt till kallt. Som ett resultat sker spontan inriktning av koncentrationerna av molekyler eller atomer.

Detta fenomen kan observeras i köket när lukt sprids. Tack vare diffusionen av gaser, sittande i ett annat rum, kan du förstå vad som lagar mat. Naturgas är som bekant luktfri och en tillsats tillsätts för att göra det lättare att upptäcka läckage av hushållsgas.

Ett luktämne som etylmerkaptan tillför en stickande lukt. Om brännaren inte tänds första gången kan vi känna lukten av en specifik lukt, som vi känner från barndomen som lukten av hushållsgas.

Och om du kastar tekorn eller en tepåse i kokande vatten och inte rör om kan du se hur teinfusionen sprider sig i volymen rent vatten.

Detta är diffusion av vätskor. Ett exempel på diffusion i ett fast ämne skulle vara saltning av tomat, gurka, svamp eller kål. Saltkristaller i vatten bryts ner till Na- och Cl-joner, som rör sig kaotiskt och penetrerar mellan molekylerna av ämnen i sammansättningen av grönsaker eller svampar.

2. Ändring av aggregeringstillstånd

Få av oss märkte att i ett vänsterglas vatten, efter några dagar, avdunstar samma del av vattnet i rumstemperatur som när det kokade i 1-2 minuter. Och när vi fryser mat eller vatten för isbitar i kylskåpet, tänker vi inte på hur detta händer.

Samtidigt är dessa vanligaste och vanligaste köksfenomen lätta att förklara. En vätska har ett mellantillstånd mellan fasta ämnen och gaser.

Vid andra temperaturer än kokning eller frysning är attraktionskrafterna mellan molekyler i en vätska inte lika starka eller svaga som i fasta ämnen och gaser. Därför, till exempel, endast tar emot energi (från solens strålar, luftmolekyler vid rumstemperatur), passerar vätskemolekylerna från den öppna ytan gradvis in i gasfasen, vilket skapar ett ångtryck ovanför vätskeytan.

Förångningshastigheten ökar med en ökning av vätskans yta, en ökning av temperaturen och en minskning av det yttre trycket. Om temperaturen höjs, når ångtrycket för denna vätska det yttre trycket. Temperaturen vid vilken detta inträffar kallas kokpunkten. Kokpunkten sjunker med minskande yttre tryck. Därför kokar vattnet snabbare i bergsområden.

Omvänt, när temperaturen sjunker, förlorar vattenmolekyler sin kinetiska energi till nivån för attraktionskrafterna mellan sig. De rör sig inte längre kaotiskt, vilket tillåter bildandet av ett kristallgitter som det för fasta ämnen. Temperaturen på 0°C vid vilken detta inträffar kallas vattnets fryspunkt.

När det fryser, expanderar vattnet. Många kunde bekanta sig med detta fenomen när de ställde en plastflaska med en drink i frysen för snabb nedkylning och glömde bort det, och sedan sprack flaskan. När den kyls till en temperatur på 4 ° C observeras först en ökning av vattnets densitet, vid vilken dess maximala densitet och minsta volym uppnås. Sedan, vid temperaturer från 4 till 0 ° C, sker en omarrangemang av bindningar i vattenmolekylen, och dess struktur blir mindre tät.

Vid en temperatur på 0 ° C ändras vattnets flytande fas till fast. Efter att vattnet helt fryser och förvandlas till is, växer dess volym med 8, 4%, vilket leder till att plastflaskan spricker. Vätskehalten i många produkter är låg, så de ökar inte i volym så märkbart vid frysning.

3. Absorption och adsorption

Dessa två nästan oskiljaktiga fenomen, kallade från latinets sorbeo (att absorbera), observeras till exempel när man värmer vatten i en vattenkokare eller kastrull. En gas som inte kemiskt verkar på en vätska kan ändå tas upp av den vid kontakt med den. Detta fenomen kallas absorption.

När gaser absorberas av fasta finkorniga eller porösa kroppar, ackumuleras de flesta av dem tätt och hålls kvar på ytan av porer eller korn och fördelas inte över hela volymen. I det här fallet kallas processen adsorption. Dessa fenomen kan observeras när du kokar vatten - bubblor separeras från väggarna i en kastrull eller vattenkokare när de värms upp.

Luften som frigörs från vatten innehåller 63 % kväve och 36 % syre. I allmänhet innehåller atmosfärisk luft 78 % kväve och 21 % syre.

Bordssalt i en oövertäckt behållare kan bli blöt på grund av dess hygroskopiska egenskaper - absorptionen av vattenånga från luften. Och bakpulver fungerar som en adsorbent när den placeras i kylskåpet för att ta bort lukt.

4. Manifestation av Arkimedes lag

När vi är redo att tillaga kycklingen fyller vi grytan med vatten ungefär hälften eller ¾, beroende på storleken på kycklingen. Genom att sänka ner slaktkroppen i en kruka med vatten märker vi att vikten av kycklingen i vattnet minskar märkbart, och vattnet stiger upp till krukans kanter.

Detta fenomen förklaras av flytkraften eller Arkimedes lag. I detta fall verkar en flytande kraft på en kropp nedsänkt i en vätska, lika med vätskans vikt i volymen av den nedsänkta delen av kroppen. Denna kraft kallas Archimedes kraft, liksom själva lagen, som förklarar detta fenomen.

5. Ytspänning

Många minns experimenten med filmer av vätskor, som visades på fysiklektionerna i skolan. En liten trådram med en rörlig sida doppades i tvålvatten och drogs sedan ut. Ytspänningskrafterna i filmen som bildades längs omkretsen lyfte den nedre rörliga delen av ramen. För att hålla den orörlig hängdes en vikt från den när experimentet upprepades.

Detta fenomen kan observeras i ett durkslag - efter användning finns vatten kvar i hålen i botten av dessa köksredskap. Samma fenomen kan observeras efter tvätt av gafflarna - det finns även vattenstrimmor på den inre ytan mellan några av tänderna.

Vätskors fysik förklarar detta fenomen på följande sätt: vätskemolekyler är så nära varandra att attraktionskrafterna mellan dem skapar ytspänning i den fria ytans plan. Om attraktionskraften för vattenmolekyler i vätskefilmen är svagare än attraktionskraften till ytan av durkslaget, så går vattenfilmen sönder.

Ytspänningens krafter är också märkbara när vi häller spannmål eller ärtor, bönor i en kastrull med vatten eller lägger till runda pepparkorn. Vissa korn kommer att stanna kvar på vattenytan, medan de flesta kommer att sjunka till botten under tyngden av resten. Om du trycker lätt på de flytande kornen med fingertoppen eller en sked kommer de att övervinna vattnets ytspänning och sjunka till botten.

6. Blötning och spridning

Utspilld vätska kan bilda små fläckar på en fettbelagd spis och en enda pöl på bordet. Saken är att vätskemolekylerna i det första fallet är mer attraherade av varandra än till plattans yta, där det finns en fettfilm som inte väts av vatten, och på ett rent bord attraktionen av vattenmolekyler till molekylerna av bordsytan är högre än vattenmolekylernas attraktion till varandra. Som ett resultat sprider sig pölen.

Detta fenomen är också relaterat till vätskors fysik och är relaterat till ytspänning. Som du vet har en såpbubbla eller vätskedroppar en sfärisk form på grund av ytspänningskrafter.

I en droppe attraheras vätskemolekyler till varandra starkare än till gasmolekyler och tenderar till insidan av vätskedroppen, vilket minskar dess yta. Men om det finns en fast fuktad yta, sträcks en del av droppen vid kontakt utmed den, eftersom det fasta ämnets molekyler attraherar vätskans molekyler, och denna kraft överstiger attraktionskraften mellan vätskans molekyler.

Graden av vätning och spridning över en fast yta kommer att bero på vilken kraft som är större - attraktionskraften av molekyler av en vätska och molekyler av ett fast ämne mellan sig eller attraktionskraften av molekyler inuti en vätska.

Sedan 1938 har detta fysiska fenomen använts i stor utsträckning inom industrin, i produktionen av hushållsartiklar, när Teflon (polytetrafluoretylen) material syntetiserades i DuPont-laboratoriet.

Dess egenskaper används inte bara vid tillverkning av non-stick kokkärl, utan också vid tillverkning av vattentäta, vattenavvisande tyger och beläggningar för kläder och skor. Teflon är erkänt av Guinness rekordbok som världens halaste ämne. Den har mycket låg ytspänning och vidhäftning (klibbar), den är inte fuktad med vatten, fett eller många organiska lösningsmedel.

7. Värmeledningsförmåga

Ett av de vanligaste fenomenen i köket som vi kan observera är uppvärmningen av en vattenkokare eller vatten i en kastrull. Värmeledningsförmåga är överföring av värme genom rörelse av partiklar när det finns en skillnad (gradient) i temperatur. Bland typerna av värmeledningsförmåga finns det också konvektion.

När det gäller identiska ämnen är vätskors värmeledningsförmåga lägre än för fasta ämnen och högre än för gaser. Den termiska ledningsförmågan hos gaser och metaller ökar med ökande temperatur och vätskors sjunker. Vi står ständigt inför konvektion, vare sig vi rör om soppa eller te med sked, eller öppnar ett fönster eller sätter på ventilationen för att ventilera köket.

Konvektion - från latinets convectiō (överföring) - en typ av värmeöverföring när den inre energin hos en gas eller vätska överförs av strålar och strömmar. Skilj mellan naturlig konvektion och forcerad. I det första fallet blandas lager av vätska eller luft själva när de värms eller kyls. Och i det andra fallet finns det en mekanisk blandning av en vätska eller gas - med en sked, fläkt eller på annat sätt.

8. Elektromagnetisk strålning

En mikrovågsugn kallas ibland en mikrovågsugn eller mikrovågsugn. Huvudelementet i varje mikrovågsugn är en magnetron, som omvandlar elektrisk energi till elektromagnetisk mikrovågsstrålning med en frekvens på upp till 2,45 gigahertz (GHz). Strålning värmer mat genom att interagera med dess molekyler.

Produkterna innehåller dipolmolekyler som innehåller positiva elektriska och negativa laddningar på sina motsatta delar.

Dessa är molekyler av fetter, socker, men mest av allt finns dipolmolekyler i vatten, som finns i nästan vilken produkt som helst. Mikrovågsfältet, som ständigt ändrar sin riktning, får molekylerna att vibrera med hög frekvens, som radar upp sig längs kraftlinjerna så att alla positivt laddade delar av molekylerna "titta" åt ena eller andra hållet. Molekylär friktion uppstår, energi frigörs som värmer maten.

9. Induktion

I köket kan man allt oftare hitta induktionsspisar, som är baserade på detta fenomen. Den engelske fysikern Michael Faraday upptäckte elektromagnetisk induktion 1831 och sedan dess har det varit omöjligt att föreställa sig vårt liv utan den.

Faraday upptäckte förekomsten av en elektrisk ström i en sluten slinga på grund av en förändring i det magnetiska flödet som passerar genom denna slinga. En skolupplevelse är känd när en platt magnet rör sig inuti en spiralformad krets av en tråd (solenoid), och en elektrisk ström uppträder i den. Det finns också en omvänd process - en elektrisk växelström i en solenoid (spole) skapar ett växlande magnetfält.

En modern induktionsspis fungerar på samma princip. Under en glaskeramisk värmepanel (neutral till elektromagnetiska svängningar) hos en sådan kamin finns en induktionsspole genom vilken en elektrisk ström flyter med en frekvens på 20-60 kHz, vilket skapar ett växelmagnetiskt fält som inducerar virvelströmmar i ett tunt lager (hudskikt) av botten av en metallskål.

Det elektriska motståndet värmer upp disken. Dessa strömmar är inte farligare än glödheta rätter på vanliga spisar. Kokkärl bör vara stål eller gjutjärn med ferromagnetiska egenskaper (attrahera en magnet).

10. Brytning av ljus

Ljusets infallsvinkel är lika med reflektionsvinkeln, och utbredningen av naturligt ljus eller ljus från lampor förklaras av en dubbel, vågpartikelnatur: å ena sidan är dessa elektromagnetiska vågor, och å andra sidan, partiklar-fotoner, som rör sig med högsta möjliga hastighet i universum.

I köket kan du observera ett sådant optiskt fenomen som ljusets brytning. Till exempel, när det står en genomskinlig vas med blommor på köksbordet, verkar stjälkarna i vattnet förskjutas vid vattenytans gräns i förhållande till deras fortsättning utanför vätskan. Faktum är att vatten, som en lins, bryter ljusstrålarna som reflekteras från stjälkarna i vasen.

En liknande sak observeras i ett genomskinligt glas te, i vilket en sked doppas. Du kan också se en förvrängd och förstorad bild av bönor eller spannmål på botten av en djup kruka med klart vatten.