Vi lærer fysik og underviser børn uden at forlade køkkenet

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Vi bruger 1-2 timer i køkkenet hver dag. Nogen mindre, nogen mere. Når det så er sagt, tænker vi sjældent på fysiske fænomener, når vi laver morgenmad, frokost eller aftensmad. Men der kan ikke være større koncentration af dem i hverdagsforhold end i køkkenet, i lejligheden. En god mulighed for at forklare fysik for børn!

1. Diffusion

Vi står konstant over for dette fænomen i køkkenet. Dens navn er afledt af det latinske diffusio - interaktion, spredning, distribution.

Dette er processen med gensidig penetration af molekyler eller atomer af to tilstødende stoffer. Diffusionshastigheden er proportional med kroppens tværsnitsareal (volumen) og forskellen i koncentrationer, temperaturer af de blandede stoffer. Hvis der er en temperaturforskel, sætter den udbredelsesretningen (gradient) - fra varmt til koldt. Som et resultat sker der spontan justering af koncentrationerne af molekyler eller atomer.

Dette fænomen kan observeres i køkkenet, når lugte spredes. Takket være diffusionen af gasser, siddende i et andet rum, kan du forstå, hvad der laver mad. Naturgas er som bekendt lugtfri, og der tilsættes et additiv for at gøre det nemmere at opdage lækage af husholdningsgas.

Et lugtstof såsom ethylmercaptan tilføjer en skarp lugt. Hvis brænderen ikke tænder første gang, så kan vi lugte en bestemt lugt, som vi fra barnsben kender som lugten af husholdningsgas.

Og hvis du smider tekorn eller en tepose i kogende vand og ikke rører, kan du se, hvordan teinfusionen breder sig i mængden af rent vand.

Dette er diffusion af væsker. Et eksempel på diffusion i et fast stof ville være saltning af tomat, agurk, champignon eller kål. Saltkrystaller i vand nedbrydes til Na- og Cl-ioner, som bevæger sig kaotisk og trænger ind mellem stoffernes molekyler i sammensætningen af grøntsager eller svampe.

2. Ændring af aggregeringstilstand

De færreste af os lagde mærke til, at i et venstre glas vand, efter et par dage, fordamper den samme del af vandet ved stuetemperatur, som ved kogning i 1-2 minutter. Og når vi fryser mad eller vand til isterninger i køleskabet, tænker vi ikke over, hvordan det sker.

I mellemtiden er disse mest almindelige og almindelige køkkenfænomener let forklaret. En væske har en mellemtilstand mellem faste stoffer og gasser.

Ved andre temperaturer end kogning eller frysning er tiltrækningskræfterne mellem molekyler i en væske ikke så stærke eller svage som i faste stoffer og gasser. Derfor, for eksempel kun at modtage energi (fra solens stråler, luftmolekyler ved stuetemperatur), går væskemolekylerne fra den åbne overflade gradvist over i gasfasen, hvilket skaber et damptryk over væskeoverfladen.

Fordampningshastigheden stiger med en stigning i væskens overfladeareal, en stigning i temperaturen og et fald i det ydre tryk. Hvis temperaturen øges, når damptrykket af denne væske det ydre tryk. Temperaturen, hvor dette sker, kaldes kogepunktet. Kogepunktet falder med faldende ydre tryk. Derfor koger vand hurtigere i bjergområder.

Omvendt, når temperaturen falder, mister vandmolekyler deres kinetiske energi til niveauet for tiltrækningskræfterne indbyrdes. De bevæger sig ikke længere kaotisk, hvilket tillader dannelsen af et krystalgitter som det for faste stoffer. Temperaturen på 0°C, hvor dette sker, kaldes vands frysepunkt.

Når det er frosset, udvider vandet sig. Mange kunne stifte bekendtskab med dette fænomen, når de satte en plastikflaske med en drink i fryseren til hurtig afkøling og glemte det, og så var flasken sprængfyldt. Når den afkøles til en temperatur på 4 ° C, observeres først en stigning i vandtætheden, hvorved dens maksimale tæthed og minimumsvolumen nås. Derefter, ved temperaturer fra 4 til 0 ° C, sker der en omlejring af bindinger i vandmolekylet, og dets struktur bliver mindre tæt.

Ved en temperatur på 0 ° C ændres den flydende fase af vand til fast. Efter at vandet fryser fuldstændigt og bliver til is, vokser dets volumen med 8, 4%, hvilket fører til sprængning af plastikflasken. Væskeindholdet i mange produkter er lavt, så de øges ikke så mærkbart i volumen, når de fryses.

3. Absorption og adsorption

Disse to næsten uadskillelige fænomener, kaldet fra det latinske sorbeo (at absorbere), observeres for eksempel ved opvarmning af vand i en kedel eller gryde. En gas, der ikke kemisk virker på en væske, kan alligevel optages af den ved kontakt med den. Dette fænomen kaldes absorption.

Når gasser absorberes af faste finkornede eller porøse legemer, akkumuleres de fleste af dem tæt og tilbageholdes på overfladen af porer eller korn og er ikke fordelt i hele volumen. I dette tilfælde kaldes processen adsorption. Disse fænomener kan observeres, når du koger vand - bobler adskilles fra væggene i en gryde eller kedel, når de opvarmes.

Luften, der frigives fra vand, indeholder 63 % nitrogen og 36 % ilt. Generelt indeholder atmosfærisk luft 78 % nitrogen og 21 % ilt.

Bordsalt i en udækket beholder kan blive våd på grund af dets hygroskopiske egenskaber - absorptionen af vanddamp fra luften. Og bagepulver fungerer som en adsorbent, når den placeres i køleskabet for at fjerne lugt.

4. Manifestation af Archimedes' lov

Når vi er klar til at tilberede kyllingen, fylder vi gryden med vand omkring halvdelen eller ¾, afhængigt af kyllingens størrelse. Ved at nedsænke slagtekroppen i en gryde med vand, bemærker vi, at vægten af kyllingen i vandet reduceres mærkbart, og vandet stiger til grydens kanter.

Dette fænomen forklares af opdriftskraften eller Archimedes' lov. I dette tilfælde virker en flydekraft på et legeme nedsænket i en væske, svarende til væskens vægt i volumenet af den nedsænkede del af kroppen. Denne kraft kaldes Archimedes kraft, ligesom loven selv, som forklarer dette fænomen.

5. Overfladespænding

Mange husker eksperimenterne med film af væsker, som blev vist i fysiktimerne i skolen. En lille trådramme med en bevægelig side blev dyppet i sæbevand og derefter trukket ud. Overfladespændingskræfterne i filmen dannet langs omkredsen løftede den nederste bevægelige del af rammen. For at holde den ubevægelig blev en vægt suspenderet fra den, når eksperimentet blev gentaget.

Dette fænomen kan observeres i et dørslag - efter brug forbliver der vand i hullerne i bunden af disse køkkenredskaber. Det samme fænomen kan observeres efter vask af gaflerne - der er også vandstriber på den indvendige overflade mellem nogle af tænderne.

Væskernes fysik forklarer dette fænomen som følger: væskemolekyler er så tæt på hinanden, at tiltrækningskræfterne mellem dem skaber overfladespænding i den frie overflades plan. Hvis tiltrækningskraften af vandmolekyler i væskefilmen er svagere end tiltrækningskraften til overfladen af dørslaget, så knækker vandfilmen.

Overfladespændingskræfterne er også mærkbare, når vi hælder korn eller ærter, bønner i en gryde med vand eller tilføjer runde peberkorn. Nogle korn vil forblive på overfladen af vandet, mens de fleste vil synke til bunds under vægten af resten. Hvis du trykker let på de flydende korn med fingerspidsen eller en ske, vil de overvinde vandets overfladespænding og synke til bunds.

6. Befugtning og spredning

Spildt væske kan danne små pletter på en fedtbelagt komfur og en enkelt vandpyt på bordet. Sagen er, at de flydende molekyler i det første tilfælde er mere tiltrukket af hinanden end til overfladen af pladen, hvor der er en fedtfilm, der ikke er fugtet af vand, og på et rent bord tiltrækningen af vandmolekyler til molekylerne af bordfladen er højere end vandmolekylernes tiltrækning til hinanden. Som et resultat spredes vandpytten.

Dette fænomen er også relateret til væskers fysik og er relateret til overfladespænding. Som du ved, har en sæbeboble eller væskedråber en sfærisk form på grund af overfladespændingskræfter.

I en dråbe tiltrækkes væskemolekyler stærkere til hinanden end til gasmolekyler og har en tendens til indersiden af væskedråben, hvilket reducerer dens overfladeareal. Men hvis der er en fast fugtet overflade, så strækkes en del af dråben ved kontakt langs den, fordi det faste stofs molekyler tiltrækker væskens molekyler, og denne kraft overstiger tiltrækningskraften mellem væskens molekyler.

Graden af befugtning og spredning over en fast overflade vil afhænge af, hvilken kraft der er størst - tiltrækningskraften af molekyler af en væske og molekyler af et fast stof mellem sig eller tiltrækningskraften af molekyler inde i en væske.

Siden 1938 har dette fysiske fænomen været meget brugt i industrien, i produktionen af husholdningsartikler, da Teflon (polytetrafluorethylen) materiale blev syntetiseret i DuPont-laboratoriet.

Dens egenskaber bruges ikke kun til fremstilling af non-stick køkkengrej, men også til fremstilling af vandtætte, vandafvisende stoffer og belægninger til tøj og sko. Teflon er anerkendt af Guinness Rekordbog som verdens mest glatte stof. Den har meget lav overfladespænding og vedhæftning (klæber), den er ikke fugtet med vand, fedt eller mange organiske opløsningsmidler.

7. Termisk ledningsevne

Et af de mest almindelige fænomener i køkkenet, som vi kan observere, er opvarmning af en kedel eller vand i en gryde. Termisk ledningsevne er overførsel af varme gennem bevægelse af partikler, når der er en forskel (gradient) i temperatur. Blandt typerne af termisk ledningsevne er der også konvektion.

I tilfælde af identiske stoffer er væskers varmeledningsevne mindre end for faste stoffer og højere end for gasser. Den termiske ledningsevne af gasser og metaller stiger med stigende temperatur, og væsker falder. Vi står konstant over for varmluft, hvad enten vi rører suppe eller te med en ske, åbner et vindue eller tænder for ventilationen for at lufte køkkenet ud.

Konvektion - fra latin convectiō (overførsel) - en type varmeoverførsel, når den indre energi i en gas eller væske overføres af stråler og strømme. Skelne mellem naturlig konvektion og tvungen. I det første tilfælde blandes lag af væske eller luft selv, når de opvarmes eller afkøles. Og i det andet tilfælde er der en mekanisk blanding af en væske eller gas - med en ske, ventilator eller på anden måde.

8. Elektromagnetisk stråling

En mikrobølgeovn kaldes undertiden en mikrobølgeovn eller mikrobølgeovn. Hovedelementet i enhver mikrobølgeovn er en magnetron, som omdanner elektrisk energi til elektromagnetisk mikrobølgestråling med en frekvens på op til 2,45 gigahertz (GHz). Stråling opvarmer mad ved at interagere med dens molekyler.

Produkterne indeholder dipolmolekyler, der indeholder positive elektriske og negative ladninger på deres modsatte dele.

Det er molekyler af fedtstoffer, sukker, men mest af alt er dipolmolekyler i vand, som findes i næsten ethvert produkt. Mikrobølgefeltet, der konstant ændrer retning, får molekylerne til at vibrere med høj frekvens, som stiller sig op langs kraftlinjerne, så alle de positivt ladede dele af molekylerne "kigger" i den ene eller den anden retning. Molekylær friktion opstår, energi frigives, som opvarmer maden.

9. Induktion

I køkkenet kan man i stigende grad finde induktionskomfurer, som er baseret på dette fænomen. Den engelske fysiker Michael Faraday opdagede elektromagnetisk induktion i 1831, og siden da har det været umuligt at forestille sig vores liv uden den.

Faraday opdagede forekomsten af en elektrisk strøm i en lukket sløjfe på grund af en ændring i den magnetiske flux, der passerer gennem denne sløjfe. En skoleoplevelse er kendt, når en flad magnet bevæger sig inde i et spiralformet kredsløb af en ledning (solenoid), og der opstår en elektrisk strøm i den. Der er også en omvendt proces - en elektrisk vekselstrøm i en solenoide (spole) skaber et vekslende magnetfelt.

Et moderne induktionskomfur fungerer efter samme princip. Under et glaskeramisk varmepanel (neutral til elektromagnetiske svingninger) af en sådan brændeovn er der en induktionsspole, gennem hvilken en elektrisk strøm flyder med en frekvens på 20-60 kHz, hvilket skaber et vekslende magnetfelt, der inducerer hvirvelstrømme i et tyndt lag (skindlag) af bunden af et metalfad.

Den elektriske modstand varmer opvasken op. Disse strømme er ikke farligere end rødglødende retter på almindelige komfurer. Køkkengrej skal være stål eller støbejern med ferromagnetiske egenskaber (tiltræk en magnet).

10. Brydning af lys

Lysets indfaldsvinkel er lig med reflektionsvinklen, og udbredelsen af naturligt lys eller lys fra lamper forklares af en dobbelt bølgepartikelnatur: på den ene side er disse elektromagnetiske bølger, og på den anden side, partikler-fotoner, som bevæger sig med den maksimalt mulige hastighed i universet.

I køkkenet kan du observere et sådant optisk fænomen som lysets brydning. For eksempel, når der står en gennemsigtig vase med blomster på køkkenbordet, ser stilkene i vandet ud til at forskyde sig ved grænsen af vandoverfladen i forhold til deres fortsættelse uden for væsken. Faktum er, at vand, ligesom en linse, bryder lysstrålerne, der reflekteres fra stilkene i vasen.

En lignende ting observeres i et gennemsigtigt glas te, hvori en ske er dyppet. Du kan også se et forvrænget og forstørret billede af bønner eller korn i bunden af en dyb gryde med klart vand.