Učimo fiziku i učimo djecu ne izlazeći iz kuhinje

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

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

1. Difuzija

Stalno se suočavamo sa ovom pojavom u kuhinji. Njegovo ime potiče od latinskog diffusio - interakcija, raspršivanje, distribucija.

To je proces međusobnog prodiranja molekula ili atoma dvije susjedne supstance. Brzina difuzije je proporcionalna površini poprečnog presjeka tijela (volumen), i 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 poravnanja koncentracija molekula ili atoma.

Ovaj fenomen se može primijetiti u kuhinji kada se mirisi šire. Zahvaljujući difuziji gasova, sedeći u drugoj prostoriji, možete razumeti šta se kuva. Kao što znate, prirodni plin je bez mirisa i dodaje mu se aditiv kako bi se lakše otkrilo curenje domaćeg plina.

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

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 tečnosti. Primjer difuzije u čvrstoj tvari bi bilo soljenje paradajza, krastavca, gljiva ili kupusa. Kristali soli u vodi se raspadaju na ione Na i Cl, koji, haotično se kreću, 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 ključanju 1-2 minute. A kada zamrznemo hranu ili vodu za kockice leda u frižideru, ne razmišljamo o tome kako se to dešava.

U međuvremenu, ovi najčešći i najčešći kuhinjski fenomeni se lako mogu objasniti. Tečnost ima srednje stanje između čvrstih materija i gasova.

Na temperaturama različitim od ključanja ili smrzavanja, sile privlačenja između molekula u tekućini nisu tako jake ili slabe kao u čvrstim tvarima i plinovima. Stoga, na primjer, samo primajući energiju (od sunčevih zraka, molekula zraka na sobnoj temperaturi), molekuli tekućine sa otvorene površine postepeno prelaze u plinovitu fazu, stvarajući pritisak 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 dostiže vanjski tlak. Temperatura na kojoj se to dešava naziva se tačka ključanja. Tačka ključanja opada sa smanjenjem vanjskog pritiska. Stoga u planinskim područjima voda brže ključa.

Obrnuto, kada temperatura padne, molekuli vode gube svoju kinetičku energiju do nivoa sila privlačenja među sobom. Oni se više ne kreću haotično, što omogućava formiranje kristalne rešetke poput one u čvrstim materijama. Temperatura od 0°C na kojoj se to dešava naziva se tačka smrzavanja vode.

Kada se smrzne, voda se širi. Mnogi ljudi su mogli da se upoznaju sa ovim fenomenom kada su plastičnu flašu sa pićem stavili u zamrzivač za brzo hlađenje i zaboravili na to, a onda je flaša pukla. Kada se ohladi na temperaturu od 4 ° C, prvo se uočava povećanje gustine vode, pri čemu se postižu njena maksimalna gustina i minimalni volumen. Zatim, na temperaturama od 4 do 0 ° C, dolazi do preuređivanja veza u molekuli vode, a njena struktura postaje manje gusta.

Na temperaturi od 0°C, tečna faza vode prelazi u čvrstu. Nakon što se voda potpuno zamrzne i pretvori u led, njen volumen raste za 8,4%, što dovodi do pucanja plastične boce. Sadržaj tekućine u mnogim proizvodima je nizak, tako da se ne povećavaju tako primjetno kada su zamrznuti.

3. Apsorpcija i adsorpcija

Ove dvije gotovo neodvojive pojave, nazvane od latinskog sorbeo (upijati), primjećuju se, na primjer, pri zagrijavanju vode u kotliću ili loncu. Gas koji ne djeluje kemijski na tekućinu može ipak biti apsorbiran u dodiru s njom. Ovaj fenomen se naziva apsorpcija.

Kada se plinovi apsorbiraju od strane čvrstih sitnozrnatih ili poroznih tijela, većina ih se gusto akumulira i zadržava na površini pora ili zrna i ne raspoređuje se po cijelom volumenu. U ovom slučaju, proces se naziva adsorpcija. Ove pojave se mogu uočiti pri ključanju vode - mjehurići se odvajaju od zidova lonca ili kotlića kada se zagriju.

Vazduh koji se oslobađa iz vode sadrži 63% azota i 36% kiseonika. Generalno, atmosferski vazduh sadrži 78% azota i 21% kiseonika.

Kuhinjska sol u nepokrivenoj posudi može postati vlažna 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 Arhimedovog zakona

Kada smo spremni da skuhamo piletinu, lonac napunimo vodom oko pola ili ¾, u zavisnosti od veličine piletine. Potapanjem trupa u lonac s vodom primjećujemo da se težina piletine u vodi primjetno 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 tečnosti u zapremini potopljenog dijela tijela. Ova sila se naziva Arhimedova sila, kao i sam zakon, koji objašnjava ovaj fenomen.

5. Površinski napon

Mnogi ljudi pamte eksperimente sa filmovima tečnosti, koji su se prikazivali na časovima fizike u školi. Mali žičani okvir s jednom pomičnom stranom umočen je u vodu sa sapunom i zatim izvučen. Sile površinskog napona u filmu formiranom duž perimetra podigle su donji pokretni dio okvira. Da bi ostao nepomičan, prilikom ponavljanja eksperimenta sa njega je okačen uteg.

Ovaj fenomen se može primijetiti u cjedilu - nakon upotrebe voda ostaje u rupama na dnu ovog kuhinjskog pribora. Isti fenomen se može uočiti i nakon pranja viljuški - takođe postoje tragovi vode na unutrašnjoj površini između nekih zuba.

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 tečnog filma slabija od sile privlačenja na površinu cjedila, tada se film vode puca.

Takođe, sile površinskog napona su uočljive kada žitarice ili grašak, pasulj sipamo u šerpu sa vodom ili dodamo okrugla zrna bibera. Neka zrna ostat će na površini vode, dok će većina potonuti na dno pod teretom ostalih. Ako vrhom prsta ili kašikom lagano pritisnete na plutajuća zrna, ona će savladati površinski napon vode i potonuti na dno.

6. Vlaženje i širenje

Prolivena tečnost može stvoriti male mrlje na šporetu premazanom masnoćom i jednu lokvicu na stolu. Stvar je u tome da se molekuli tečnosti u prvom slučaju više privlače jedni prema drugima nego prema površini ploče, gde postoji masni film koji nije navlažen vodom, a na čistom stolu privlačenje molekula vode za molekule površina stola je veća od privlačenja molekula vode jedna prema drugoj. Kao rezultat toga, lokva se širi.

Ovaj fenomen je takođe povezan sa fizikom tečnosti i povezan je sa površinskim naponom. Kao što znate, mjehur od sapunice ili kapljice tekućine imaju sferni oblik zbog sila površinske napetosti.

U kapljici se molekuli tekućine privlače jedni prema drugima jače nego prema molekulima plina i teže unutrašnjosti kapljice tekućine, smanjujući njenu površinu. Ali, ako postoji čvrsta navlažena površina, tada se dio kapi pri kontaktu rasteže duž nje, jer molekuli čvrste tvari privlače molekule tekućine, a ta sila premašuje silu privlačenja između molekula tekućine..

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

Od 1938. godine ovaj fizički fenomen se široko koristi u industriji, u proizvodnji predmeta za domaćinstvo, kada je u laboratoriji DuPont sintetizovan teflonski (politetrafluoroetilen) materijal.

Njegova svojstva se 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 najklizavija supstanca na svijetu. Ima vrlo nisku površinsku napetost i adheziju (ljepljivost), nije kvašen vodom, mašću ili mnogim organskim rastvaračima.

7. Toplotna provodljivost

Jedna od najčešćih pojava u kuhinji koju možemo uočiti je zagrijavanje čajnika ili vode u loncu. Toplotna provodljivost je prijenos topline kroz kretanje čestica kada postoji razlika (gradijent) u temperaturi. Među vrstama toplotne provodljivosti postoji i konvekcija.

U slučaju identičnih supstanci, toplotna provodljivost tečnosti je manja od čvrstih materija, a veća od gasova. Toplotna provodljivost plinova i metala raste s porastom temperature, a tekućina opada. Stalno smo suočeni sa konvekcijom, bilo da kašičicom mešamo supu ili čaj, ili otvorimo prozor, ili uključimo ventilaciju da provetrimo kuhinju.

Konvekcija - od latinskog convectiō (prenos) - vrsta prenosa toplote kada se unutrašnja energija gasa ili tečnosti prenosi mlazovima i strujama. Razlikovati prirodnu konvekciju i prisilnu. U prvom slučaju, slojevi tečnosti ili vazduha se sami mešaju kada se zagreju ili ohlade. A u drugom slučaju dolazi do mehaničkog miješanja tekućine ili plina - kašikom, ventilatorom ili na drugi način.

8. Elektromagnetno zračenje

Mikrovalna pećnica se ponekad naziva mikrovalna pećnica ili mikrovalna pećnica. Glavni element svake mikrotalasne pećnice je magnetron, koji pretvara električnu energiju u mikrotalasno elektromagnetno zračenje frekvencije do 2,45 gigaherca (GHz). Zračenje zagrijava hranu interakcijom s njenim molekulima.

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

To su molekuli masti, šećera, ali najviše dipolnih molekula ima u vodi, koja se nalazi u gotovo svakom proizvodu. Mikrovalno polje, neprestano mijenjajući smjer, tjera molekule da vibriraju visokom frekvencijom, koje se nižu 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 su zasnovana na ovom fenomenu. Engleski fizičar Michael Faraday otkrio je elektromagnetnu 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 fluksa koji prolazi kroz ovu petlju. Poznato je školsko iskustvo kada se ravan magnet kreće unutar spiralnog kola žice (solenoida), a u njemu se pojavi električna struja. Postoji i obrnuti proces - izmjenična električna struja u solenoidu (zavojnici) stvara naizmjenično magnetsko polje.

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

Električni otpor zagrijava posuđe. Ove struje nisu ništa opasnije od usijanih jela na običnim pećima. Posuđe treba biti čelično ili liveno gvožđe sa feromagnetnim svojstvima (privući magnet).

10. Refrakcija svjetlosti

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

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

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