Õpime füüsikat ja õpetame lapsi köögist lahkumata

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Iga päev veedame köögis 1-2 tundi. Keegi vähem, keegi rohkem. Nagu öeldud, mõtleme hommiku-, lõuna- või õhtusööki valmistades harva füüsilistele nähtustele. Kuid suuremat kontsentratsiooni neid igapäevastes tingimustes olla ei saa kui köögis, korteris. Hea võimalus lastele füüsikat selgitada!

1. Difusioon

Selle nähtusega seisame köögis pidevalt silmitsi. Selle nimi on tuletatud ladinakeelsest sõnast diffusio - interaktsioon, hajutamine, levik.

See on kahe külgneva aine molekulide või aatomite vastastikuse tungimise protsess. Difusioonikiirus on võrdeline keha ristlõike pindalaga (mahuga) ning segatud ainete kontsentratsioonide ja temperatuuride erinevusega. Kui on temperatuuride erinevus, määrab see leviku suuna (gradient) - kuumast külmani. Selle tulemusena toimub molekulide või aatomite kontsentratsioonide spontaanne joondamine.

Seda nähtust võib täheldada köögis, kui lõhnad levivad. Tänu gaaside difusioonile saate teises ruumis istudes aru, mida küpsetatakse. Maagaas on teatavasti lõhnatu ja sellele on lisatud lisandit, et kodugaasi leket oleks lihtsam tuvastada.

Lõhnaaine nagu etüülmerkaptaan lisab terava lõhna. Kui põleti esimesel korral ei sütti, siis tunneme spetsiifilist lõhna, mida teame lapsepõlvest kui majapidamisgaasi lõhna.

Ja kui visata teeterad või teekotike keevasse vette ja mitte segada, on näha, kuidas teetõmmis puhta vee mahus levib.

See on vedelike difusioon. Tahke aine difusiooni näide on tomati, kurgi, seente või kapsa soolamine. Vees olevad soolakristallid lagunevad Na- ja Cl-ioonideks, mis kaootiliselt liikudes tungivad köögiviljade või seente koostises olevate ainete molekulide vahele.

2. Agregatsiooni oleku muutus

Vähesed meist märkasid, et vasakpoolses veeklaasis aurustub mõne päeva pärast toatemperatuuril sama osa veest kui 1-2 minuti jooksul keetes. Ja kui külmkapis jääkuubikuteks toitu või vett külmutame, ei mõtle me sellele, kuidas see juhtub.

Vahepeal on need kõige levinumad ja levinumad kööginähtused kergesti seletatavad. Vedelal on tahkete ainete ja gaaside vahepealne olek.

Muudel temperatuuridel peale keemis- või külmumistemperatuuri ei ole vedelikus olevate molekulide vahelised tõmbejõud nii tugevad ega nõrgad kui tahketel ainetel ja gaasidel. Seetõttu näiteks ainult energiat saades (päikesekiirtest, toatemperatuuril õhumolekulidest) lähevad vedelad molekulid avatud pinnalt järk-järgult gaasifaasi, tekitades vedeliku pinna kohal aururõhu.

Aurustumiskiirus suureneb koos vedeliku pindala suurenemisega, temperatuuri tõusuga ja välisrõhu langusega. Temperatuuri tõstmisel jõuab selle vedeliku aururõhk välisrõhuni. Temperatuuri, mille juures see toimub, nimetatakse keemistemperatuuriks. Keemistemperatuur väheneb välisrõhu langedes. Seetõttu keeb vesi mägistel aladel kiiremini keema.

Ja vastupidi, kui temperatuur langeb, kaotavad veemolekulid oma kineetilise energia omavahelise tõmbejõudude tasemele. Nad ei liigu enam kaootiliselt, mis võimaldab moodustada kristallvõre nagu tahkete ainete oma. Temperatuuri 0 ° C, mille juures see toimub, nimetatakse vee külmumistemperatuuriks.

Külmumisel vesi paisub. Paljud inimesed võisid selle nähtusega tutvuda, kui panid plastpudeli joogiga sügavkülma kiireks jahutamiseks ja unustasid selle ning siis pudel lõhkes. Temperatuurini 4 ° C jahutamisel täheldatakse esmalt vee tiheduse suurenemist, mille juures saavutatakse selle maksimaalne tihedus ja minimaalne maht. Seejärel toimub temperatuuridel 4–0 ° C veemolekulis sidemete ümberkorraldamine ja selle struktuur muutub vähem tihedaks.

Temperatuuril 0 ° C muutub vee vedel faas tahkeks. Pärast vee täielikku külmumist ja jääks muutumist suureneb selle maht 8,4%, mis viib plastpudeli lõhkemiseni. Vedelikusisaldus on paljudes toodetes madal, mistõttu ei suurene nende maht külmutades nii märgatavalt.

3. Imendumine ja adsorptsioon

Neid kahte peaaegu lahutamatut nähtust, mida nimetatakse ladinakeelsest sõnast sorbeo (imema), täheldatakse näiteks veekeetjas või kastrulis vee soojendamisel. Gaas, mis vedelikku keemiliselt ei mõjuta, võib sellesse kokkupuutel siiski neelduda. Seda nähtust nimetatakse absorptsiooniks.

Kui gaase neelavad tahked peeneteralised või poorsed kehad, akumuleeruvad enamik neist tihedalt ja jäävad pooride või terade pinnale ega jaotu kogu mahus. Sel juhul nimetatakse protsessi adsorptsiooniks. Neid nähtusi võib täheldada vee keetmisel – kuumutamisel eralduvad kastruli või veekeetja seintest mullid.

Veest eralduv õhk sisaldab 63% lämmastikku ja 36% hapnikku. Üldiselt sisaldab atmosfääriõhk 78% lämmastikku ja 21% hapnikku.

Katmata anumas olev lauasool võib oma hügroskoopsete omaduste – õhust veeauru imendumise – tõttu märjaks saada. Ja söögisooda toimib külmikusse asetatuna adsorbendina, et eemaldada lõhnu.

4. Archimedese seaduse ilming

Kui oleme valmis kana küpsetama, täidame poti veega umbes poole või ¾, olenevalt kana suurusest. Kastes rümba veepotti, märkame, et kana kaal vees väheneb märgatavalt ning vesi tõuseb poti äärteni.

Seda nähtust seletatakse üleslükkejõu ehk Archimedese seadusega. Sel juhul mõjub vedelikku sukeldatud kehale üleslükkejõud, mis on võrdne vedeliku kaaluga vee all oleva kehaosa mahus. Seda jõudu nimetatakse Archimedese jõuks, nagu ka seadust ennast, mis seda nähtust seletab.

5. Pindpinevus

Paljud mäletavad katseid vedelike filmidega, mida näidati koolis füüsikatundides. Väike traatraam, millel oli üks liikuv külg, kasteti seebiveega ja tõmmati seejärel välja. Mööda perimeetrit tekkinud kile pindpinevusjõud tõstsid raami alumist liikuvat osa üles. Selle liikumatuks hoidmiseks riputati katse kordamisel selle külge raskus.

Seda nähtust võib täheldada kurnis – pärast kasutamist jääb nende köögitarvete põhjas olevatesse aukudesse vett. Sama nähtust võib täheldada ka pärast kahvlite pesemist - osade hammaste vahel on ka sisepinnal veetriibud.

Vedelike füüsika seletab seda nähtust järgmiselt: vedelikumolekulid on üksteisele nii lähedal, et nendevahelised tõmbejõud tekitavad vaba pinna tasapinnas pindpinevusi. Kui vedela kile veemolekulide külgetõmbejõud on nõrgem kui tõmbejõud kurna pinnale, siis veekile puruneb.

Samuti on pindpinevusjõud märgatavad, kui valame kastrulisse teraviljad või herned, oad või lisame ümmargused pipraterad. Mõned terad jäävad veepinnale, suurem osa aga vajub ülejäänute raskuse all põhja. Kui hõljuvatele teradele sõrmeotsaga või lusikaga kergelt vajutada, saavad need üle vee pindpinevusest ja vajuvad põhja.

6. Niisutamine ja laialilaotamine

Mahavalgunud vedelik võib rasvaga kaetud pliidile moodustada väikseid plekke ja lauale ühe loigu. Asi on selles, et esimesel juhul tõmbavad vedelad molekulid üksteise poole rohkem kui plaadi pind, kus on rasvakiht, mis ei ole veega niisutatud, ja puhtal laual veemolekulide ligitõmbamine plaadi molekulide külge. laua pind on kõrgem kui veemolekulide külgetõmbejõud. Selle tulemusena levib lomp laiali.

See nähtus on seotud ka vedelike füüsikaga ja on seotud pindpinevusega. Nagu teate, on seebimull või vedelikupiisad pindpinevusjõudude tõttu sfäärilise kujuga.

Piisakeses tõmbavad vedelad molekulid üksteise külge tugevamini kui gaasimolekulid ja kalduvad vedelikutilga sisemusse, vähendades selle pindala. Kui aga on tahke niisutatud pind, siis osa kokkupuutel olevast tilgast venib piki seda, kuna tahke aine molekulid tõmbavad vedeliku molekule ligi ja see jõud ületab vedeliku molekulide vahelise tõmbejõu..

Niisumise ja tahkel pinnal levimise määr sõltub sellest, milline jõud on suurem - kas vedeliku molekulide ja tahke aine molekulide tõmbejõud või vedeliku sees olevate molekulide külgetõmbejõud.

Alates 1938. aastast on seda füüsikalist nähtust laialdaselt kasutatud tööstuses, majapidamistarvete valmistamisel, mil DuPont laboris sünteesiti teflon (polütetrafluoroetüleen) materjal.

Selle omadusi ei kasutata mitte ainult mittenakkuvate kööginõude valmistamisel, vaid ka veekindlate, vetthülgavate kangaste ning riiete ja jalanõude katete valmistamisel. Guinnessi rekordite raamat on tunnistanud teflonit maailma kõige libedamaks aineks. Sellel on väga madal pindpinevus ja adhesioon (kleepuv), seda ei niisutata vee, rasva ega paljude orgaaniliste lahustitega.

7. Soojusjuhtivus

Üks levinumaid nähtusi köögis, mida saame jälgida, on veekeetja või vee kuumenemine kastrulis. Soojusjuhtivus on soojuse ülekanne osakeste liikumise kaudu temperatuuri erinevuse (gradient) korral. Soojusjuhtivuse tüüpide hulgas on ka konvektsioon.

Identsete ainete puhul on vedelike soojusjuhtivus väiksem kui tahketel ainetel ja suurem kui gaasidel. Gaaside ja metallide soojusjuhtivus suureneb temperatuuri tõustes ning vedelike soojusjuhtivus väheneb. Pidevalt seisame silmitsi konvektsiooniga, kas segame lusikaga suppi või teed või avame akna või lülitame sisse ventilatsiooni, et kööki tuulutada.

Konvektsioon - ladinakeelsest sõnast convectiō (ülekanne) - soojusülekande liik, kui gaasi või vedeliku siseenergia kandub edasi jugade ja voogude abil. Eristage loomulikku konvektsiooni ja sunnitud. Esimesel juhul segunevad kuumutamisel või jahutamisel vedeliku- või õhukihid ise. Ja teisel juhul toimub vedeliku või gaasi mehaaniline segamine - lusikaga, ventilaatoriga või muul viisil.

8. Elektromagnetkiirgus

Mikrolaineahju nimetatakse mõnikord mikrolaineahjuks või mikrolaineahjuks. Iga mikrolaineahju põhielemendiks on magnetron, mis muudab elektrienergia mikrolaine-elektromagnetkiirguseks sagedusega kuni 2,45 gigahertsi (GHz). Kiirgus soojendab toitu, suheldes selle molekulidega.

Tooted sisaldavad dipoolmolekule, mille vastasosadel on positiivsed elektrilised ja negatiivsed laengud.

Need on rasvade, suhkru molekulid, kuid enamik dipoolmolekule on vees, mida leidub peaaegu igas tootes. Pidevalt suunda muutev mikrolaineväli paneb kõrge sagedusega vibreerima molekulid, mis joonduvad mööda jõujooni nii, et kõik molekulide positiivselt laetud osad "vaatavad" ühes või teises suunas. Tekib molekulaarne hõõrdumine, eraldub energia, mis soojendab toitu.

9. Induktsioon

Köögis võib järjest enam leida sellel nähtusel põhinevaid induktsioonpliite. Inglise füüsik Michael Faraday avastas elektromagnetilise induktsiooni 1831. aastal ja sellest ajast peale on meie elu ilma selleta võimatu ette kujutada.

Faraday avastas elektrivoolu esinemise suletud ahelas seda ahelat läbiva magnetvoo muutumise tõttu. Koolikogemus on teada, kui traadi (solenoidi) spiraalikujulises ahelas liigub tasapinnaline magnet, millesse tekib elektrivool. On ka pöördprotsess – vahelduv elektrivool solenoidis (mähises) tekitab vahelduva magnetvälja.

Samal põhimõttel töötab kaasaegne induktsioonpliit. Sellise ahju klaaskeraamilise küttepaneeli (elektromagnetilise võnkumise suhtes neutraalse) all on induktsioonmähis, mille kaudu voolab elektrivool sagedusega 20-60 kHz, tekitades vahelduva magnetvälja, mis õhukese kihina indutseerib pöörisvoolu. (nahakiht) metallnõu põhja.

Elektritakistus soojendab nõud. Need voolud ei ole ohtlikumad kui tavalistel pliitidel kuumad nõud. Kööginõud peaksid olema terasest või malmist, millel on ferromagnetilised omadused (tõmbavad magneti ligi).

10. Valguse murdumine

Valguse langemisnurk on võrdne peegeldusnurgaga ja loomuliku valguse või lampide valguse levikut seletatakse kahekordse, laineosakeste olemusega: ühelt poolt on need elektromagnetlained ja teiselt poolt, osakesed-footonid, mis liiguvad Universumis maksimaalse võimaliku kiirusega.

Köögis saate jälgida sellist optilist nähtust nagu valguse murdumine. Näiteks kui köögilaual on läbipaistev lilledega vaas, siis vees olevad varred näivad nihkuvat veepinna piiril võrreldes nende jätkumisega väljaspool vedelikku. Fakt on see, et vesi, nagu lääts, murrab vaasis vartelt peegelduvaid valguskiiri.

Sarnast asja täheldatakse ka läbipaistvas teeklaasis, millesse on kastetud lusikas. Näete ka moonutatud ja suurendatud kujutist ubadest või teraviljadest sügava puhta veega poti põhjas.