Učíme se fyziku a učíme děti, aniž bychom opustili kuchyň

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Každý den trávíme v kuchyni 1-2 hodiny. Někdo méně, někdo více. Jak již bylo řečeno, jen zřídka přemýšlíme o fyzikálních jevech, když vaříme snídani, oběd nebo večeři. Ale nemůže být jejich větší koncentrace v každodenních podmínkách než v kuchyni, v bytě. Dobrá příležitost vysvětlit dětem fyziku!

1. Difúze

S tímto fenoménem se v kuchyni setkáváme neustále. Jeho název je odvozen z latinského diffusio – interakce, rozptyl, distribuce.

Jedná se o proces vzájemného pronikání molekul nebo atomů dvou sousedících látek. Rychlost difúze je úměrná průřezové ploše těla (objemu) a rozdílu v koncentracích, teplotách smíchaných látek. Pokud je teplotní rozdíl, pak nastavuje směr šíření (gradient) - od horkého po studený. V důsledku toho dochází ke spontánnímu zarovnání koncentrací molekul nebo atomů.

Tento jev lze pozorovat v kuchyni při šíření pachů. Díky difúzi plynů, sedících v jiné místnosti, můžete pochopit, co se vaří. Jak víte, zemní plyn je bez zápachu a přidává se do něj aditivum pro snadnější odhalování úniku domácího plynu.

Odorant, jako je ethylmerkaptan, dodává štiplavý zápach. Pokud se hořák nezapálí napoprvé, pak můžeme cítit specifickou vůni, kterou z dětství známe jako vůni domácího plynu.

A když zrnka čaje nebo sáček vhodíte do vroucí vody a nemícháte, uvidíte, jak se čajový nálev rozlévá v objemu čisté vody.

Jedná se o difúzi kapalin. Příkladem difúze v pevné látce může být solení rajčat, okurek, hub nebo zelí. Krystaly soli ve vodě se rozkládají na ionty Na a Cl, které se chaoticky pohybují a pronikají mezi molekuly látek ve složení zeleniny nebo hub.

2. Změna stavu agregace

Málokdo z nás si všiml, že v levé sklenici vody se po pár dnech při pokojové teplotě odpaří stejná část vody jako při varu 1-2 minuty. A když zmrazíme jídlo nebo vodu na kostky ledu v lednici, nemyslíme na to, jak se to stane.

Mezitím jsou tyto nejběžnější a nejběžnější kuchyňské jevy snadno vysvětlitelné. Kapalina má přechodný stav mezi pevnými látkami a plyny.

Při jiných teplotách, než je teplota varu nebo mrazu, nejsou přitažlivé síly mezi molekulami v kapalině tak silné nebo slabé jako v pevných látkách a plynech. Proto například pouze přijímáním energie (ze slunečních paprsků, molekul vzduchu při pokojové teplotě) molekuly kapaliny z otevřeného povrchu postupně přecházejí do plynné fáze, čímž vzniká tlak par nad povrchem kapaliny.

Rychlost odpařování se zvyšuje se zvětšováním povrchu kapaliny, zvyšováním teploty a snižováním vnějšího tlaku. Pokud se teplota zvýší, pak tlak par této kapaliny dosáhne vnějšího tlaku. Teplota, při které k tomu dochází, se nazývá bod varu. Bod varu klesá s klesajícím vnějším tlakem. V horských oblastech se proto voda rychleji vaří.

Naopak při poklesu teploty molekuly vody ztrácejí kinetickou energii na úroveň přitažlivých sil mezi sebou. Už se nepohybují chaoticky, což umožňuje vytvoření krystalové mřížky jako u pevných látek. Teplota 0 °C, při které k tomu dochází, se nazývá bod mrazu vody.

Při zmrznutí se voda rozpíná. Mnoho lidí se s tímto jevem mohlo seznámit, když vložili plastovou láhev s nápojem do mrazáku na rychlé zchlazení a zapomněli na to a láhev pak praskla. Při ochlazení na teplotu 4 °C je nejprve pozorován nárůst hustoty vody, při kterém je dosaženo její maximální hustoty a minimálního objemu. Poté při teplotách od 4 do 0 °C dochází k přeskupení vazeb v molekule vody a její struktura se stává méně hustou.

Při teplotě 0 °C se kapalná fáze vody mění na pevnou. Poté, co voda zcela zamrzne a změní se v led, její objem naroste o 8,4 %, což vede k prasknutí plastové láhve. Obsah tekutiny v mnoha produktech je nízký, takže při zmrazení tak znatelně nezvětšují objem.

3. Absorpce a adsorpce

Tyto dva téměř neoddělitelné jevy, nazývané z latinského sorbeo (pohlcovat), pozorujeme například při ohřívání vody v konvici nebo rendlíku. Plyn, který chemicky nepůsobí na kapalinu, může být při kontaktu s kapalinou absorbován. Tento jev se nazývá absorpce.

Když jsou plyny absorbovány pevnými jemnozrnnými nebo porézními tělesy, většina z nich se hustě hromadí a zadržují se na povrchu pórů nebo zrn a nejsou distribuovány v celém objemu. V tomto případě se proces nazývá adsorpce. Tyto jevy lze pozorovat při vaření vody – bublinky se při zahřívání oddělují od stěn hrnce nebo konvice.

Vzduch uvolněný z vody obsahuje 63 % dusíku a 36 % kyslíku. Obecně platí, že atmosférický vzduch obsahuje 78 % dusíku a 21 % kyslíku.

Kuchyňská sůl v nezakryté nádobě může zvlhnout díky svým hygroskopickým vlastnostem – pohlcování vodní páry ze vzduchu. A jedlá soda po vložení do lednice působí jako adsorbent a odstraňuje pachy.

4. Projev Archimédova zákona

Když jsme připraveni vařit kuře, naplníme hrnec vodou asi do poloviny nebo ¾, podle velikosti kuřete. Ponořením korpusu do hrnce s vodou si všimneme, že hmotnost kuřete ve vodě se znatelně sníží a voda stoupá k okrajům hrnce.

Tento jev vysvětluje vztlaková síla neboli Archimédův zákon. Na těleso ponořené v kapalině v tomto případě působí vztlaková síla, která se rovná hmotnosti kapaliny v objemu ponořené části tělesa. Tato síla se nazývá Archimédova síla, stejně jako samotný zákon, který tento jev vysvětluje.

5. Povrchové napětí

Mnoho lidí si pamatuje pokusy s filmy kapalin, které se promítaly v hodinách fyziky ve škole. Malý drátěný rám s jednou pohyblivou stranou byl ponořen do mýdlové vody a poté vytažen. Síly povrchového napětí ve fólii vytvořené po obvodu zvedly spodní pohyblivou část rámu. Aby zůstal nehybný, bylo na něj při opakování experimentu zavěšeno závaží.

Tento jev lze pozorovat u cedníku – po použití zůstává voda v otvorech na dně tohoto kuchyňského náčiní. Stejný jev lze pozorovat i po umytí vidliček – na vnitřní ploše mezi některými zuby jsou také pruhy vody.

Fyzika kapalin vysvětluje tento jev následovně: molekuly kapaliny jsou tak blízko sebe, že přitažlivé síly mezi nimi vytvářejí povrchové napětí v rovině volného povrchu. Pokud je síla přitahování molekul vody kapalného filmu slabší než síla přitahování k povrchu cedníku, vodní film praskne.

Také síly povrchového napětí jsou patrné, když do kastrůlku s vodou nasypeme obiloviny nebo hrášek, fazole nebo přidáme kulatá zrnka pepře. Některá zrnka zůstanou na hladině vody, zatímco většina pod tíhou zbytku klesne ke dnu. Pokud na plovoucí zrnka lehce zatlačíte špičkou prstu nebo lžičkou, překonají povrchové napětí vody a klesnou ke dnu.

6. Smáčení a roztírání

Rozlitá tekutina může na vařiči potaženém tukem vytvořit malé skvrny a na stole jednu loužičku. Jde o to, že molekuly kapaliny jsou v prvním případě více přitahovány k sobě než k povrchu desky, kde je mastný film nesmáčený vodou a na čistém stole je přitahování molekul vody k molekulám povrch stolu je vyšší než přitažlivost molekul vody k sobě. V důsledku toho se louže rozšiřuje.

Tento jev souvisí i s fyzikou kapalin a souvisí s povrchovým napětím. Jak víte, mýdlová bublina nebo kapičky kapaliny mají kulový tvar v důsledku sil povrchového napětí.

V kapce jsou molekuly kapaliny přitahovány k sobě silněji než k molekulám plynu a mají sklon k vnitřku kapky kapaliny, čímž se zmenšuje její povrch. Pokud však existuje pevný smáčený povrch, pak se část kapky při kontaktu podél něj natáhne, protože molekuly pevné látky přitahují molekuly kapaliny a tato síla převyšuje sílu přitažlivosti mezi molekulami kapaliny..

Stupeň smáčení a šíření po pevném povrchu bude záviset na tom, která síla je větší - na síle přitažlivosti molekul kapaliny a molekul pevné látky mezi sebou nebo na síle přitažlivosti molekul uvnitř kapaliny.

Od roku 1938 je tento fyzikální jev hojně využíván v průmyslu, při výrobě domácích potřeb, kdy byl v laboratoři DuPont syntetizován teflonový (polytetrafluorethylen) materiál.

Jeho vlastnosti se využívají nejen při výrobě nepřilnavého nádobí, ale také při výrobě voděodolných, vodoodpudivých tkanin a potahů oděvů a obuvi. Teflon je uznáván Guinessovou knihou rekordů jako nejkluznější látka na světě. Má velmi nízké povrchové napětí a přilnavost (lepí), není smáčen vodou, mastnotou ani mnoha organickými rozpouštědly.

7. Tepelná vodivost

Jedním z nejčastějších jevů v kuchyni, který můžeme pozorovat, je ohřívání rychlovarné konvice nebo vody v kastrůlku. Tepelná vodivost je přenos tepla pohybem částic při rozdílu (spádu) teplot. Mezi typy tepelné vodivosti patří také konvekce.

V případě stejných látek je tepelná vodivost kapalin menší než u pevných látek a vyšší než u plynů. Tepelná vodivost plynů a kovů s rostoucí teplotou roste a kapalin klesá. Neustále se potýkáme s konvekcí, ať už mícháme polévku nebo čaj lžící, otevřeme okno nebo zapneme ventilaci, abychom vyvětrali kuchyň.

Konvekce – z latinského convectiō (přenos) – druh přenosu tepla, kdy se vnitřní energie plynu nebo kapaliny přenáší tryskami a proudy. Rozlišujte mezi přirozenou konvekcí a nucenou konvekcí. V prvním případě jsou vrstvy kapaliny nebo vzduchu samy smíchány při zahřívání nebo ochlazování. A ve druhém případě dochází k mechanickému promíchání kapaliny nebo plynu – lžící, ventilátorem nebo jiným způsobem.

8. Elektromagnetické záření

Mikrovlnná trouba se někdy nazývá mikrovlnná trouba nebo mikrovlnná trouba. Hlavním prvkem každé mikrovlnné trouby je magnetron, který přeměňuje elektrickou energii na mikrovlnné elektromagnetické záření o frekvenci až 2,45 gigahertz (GHz). Záření ohřívá jídlo interakcí s jeho molekulami.

Produkty obsahují dipólové molekuly obsahující kladné elektrické a záporné náboje na jejich protilehlých částech.

Jsou to molekuly tuků, cukru, ale nejvíce dipólové molekuly jsou ve vodě, která se nachází téměř v každém produktu. Mikrovlnné pole, které neustále mění svůj směr, způsobuje, že molekuly vibrují s vysokou frekvencí, které se seřadí podél siločar tak, že všechny kladně nabité části molekul "koukají" jedním nebo druhým směrem. Vzniká molekulární tření, uvolňuje se energie, která ohřívá potravu.

9. Indukce

V kuchyni se stále častěji můžete setkat s indukčními sporáky, které jsou založeny na tomto fenoménu. Anglický fyzik Michael Faraday objevil elektromagnetickou indukci v roce 1831 a od té doby si bez ní nelze představit náš život.

Faraday objevil výskyt elektrického proudu v uzavřené smyčce v důsledku změny magnetického toku procházejícího touto smyčkou. Školní zkušenost je známá, když se plochý magnet pohybuje uvnitř spirálovitého obvodu drátu (solenoidu) a objeví se v něm elektrický proud. Existuje i opačný proces – střídavý elektrický proud v elektromagnetu (cívce) vytváří střídavé magnetické pole.

Na stejném principu funguje i moderní indukční vařič. Pod sklokeramickým topným panelem (neutrálním vůči elektromagnetickým oscilacím) takových kamen je indukční cívka, kterou protéká elektrický proud o frekvenci 20-60 kHz vytvářející střídavé magnetické pole, které indukuje vířivé proudy v tenké vrstvě (vrstva kůže) dna kovové misky.

Elektrický odpor ohřívá nádobí. Tyto proudy nejsou o nic nebezpečnější než rozžhavené pokrmy na běžných kamnech. Nádobí by mělo být ocelové nebo litinové s feromagnetickými vlastnostmi (přitahovat magnet).

10. Lom světla

Úhel dopadu světla se rovná úhlu odrazu a šíření přirozeného světla nebo světla z lamp se vysvětluje duální, vlnově-částicovou povahou: na jedné straně jsou to elektromagnetické vlny a na druhé straně částice-fotony, které se pohybují maximální možnou rychlostí ve vesmíru.

V kuchyni můžete pozorovat takový optický jev, jako je lom světla. Například, když je na kuchyňském stole průhledná váza s květinami, zdá se, že stonky ve vodě se posouvají na hranici vodní hladiny vzhledem k jejich pokračování mimo kapalinu. Voda totiž podobně jako čočka láme paprsky světla odražené od stonků ve váze.

Podobná věc je pozorována v průhledné sklenici čaje, ve které je ponořena lžička. Můžete také vidět zdeformovaný a zvětšený obraz fazolí nebo obilovin na dně hlubokého hrnce s čistou vodou.