Aprenem física i ensenyem als nens sense sortir de la cuina

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Passem 1-2 hores a la cuina cada dia. Algú menys, algú més. Dit això, poques vegades pensem en fenòmens físics quan preparem l'esmorzar, el dinar o el sopar. Però no hi pot haver una concentració més gran en les condicions quotidianes que a la cuina, a l'apartament. Una bona oportunitat per explicar la física als nens!

1. Difusió

Estem constantment davant d'aquest fenomen a la cuina. El seu nom deriva del llatí diffusio - interacció, dispersió, distribució.

Aquest és el procés de penetració mútua de molècules o àtoms de dues substàncies adjacents. La velocitat de difusió és proporcional a l'àrea de la secció transversal del cos (volum) i la diferència de concentracions, temperatures de les substàncies barrejades. Si hi ha una diferència de temperatura, estableix la direcció de propagació (gradient), de calent a fred. Com a resultat, es produeix un alineament espontani de les concentracions de molècules o àtoms.

Aquest fenomen es pot observar a la cuina quan les olors s'estenen. Gràcies a la difusió dels gasos, asseguts en una altra habitació, podeu entendre què s'està cuinant. Com sabeu, el gas natural és inodor i s'hi afegeix un additiu per facilitar la detecció de fuites de gas domèstic.

Un odorant com l'etil mercaptà afegeix una olor picant. Si el cremador no s'encén la primera vegada, podem olorar una olor específica, que coneixem des de la infància com l'olor del gas domèstic.

I si llenceu grans de te o una bosseta de te a l'aigua bullint i no remeneu, podreu veure com la infusió de te s'estén en el volum d'aigua pura.

Aquesta és la difusió de líquids. Un exemple de difusió en un sòlid seria la salaó de tomàquet, cogombre, bolets o col. Els cristalls de sal de l'aigua es descomponen en ions Na i Cl, que, movent-se de manera caòtica, penetren entre les molècules de substàncies de la composició de verdures o bolets.

2. Canvi d'estat d'agregació

Pocs ens vam adonar que en un got d'aigua que queda, al cap d'uns dies, s'evapora la mateixa part de l'aigua a temperatura ambient que en bullir durant 1-2 minuts. I quan congelem aliments o aigua per a glaçons a la nevera, no pensem en com passa això.

Mentrestant, aquests fenòmens de cuina més habituals i habituals s'expliquen fàcilment. Un líquid té un estat intermedi entre sòlids i gasos.

A temperatures diferents de l'ebullició o la congelació, les forces d'atracció entre les molècules d'un líquid no són tan fortes o febles com en els sòlids i els gasos. Per tant, per exemple, només rebent energia (dels raigs solars, molècules d'aire a temperatura ambient), les molècules líquides de la superfície oberta passen gradualment a la fase gasosa, creant una pressió de vapor per sobre de la superfície líquida.

La velocitat d'evaporació augmenta amb un augment de la superfície del líquid, un augment de la temperatura i una disminució de la pressió externa. Si augmenta la temperatura, la pressió de vapor d'aquest líquid arriba a la pressió externa. La temperatura a la qual es produeix això s'anomena punt d'ebullició. El punt d'ebullició disminueix amb la disminució de la pressió externa. Per tant, a les zones muntanyoses, l'aigua bull més ràpid.

Per contra, quan la temperatura baixa, les molècules d'aigua perden la seva energia cinètica al nivell de les forces d'atracció entre elles. Ja no es mouen de manera caòtica, la qual cosa permet la formació d'una xarxa cristal·lina com la dels sòlids. La temperatura de 0 °C a la qual es produeix això s'anomena punt de congelació de l'aigua.

Quan es congela, l'aigua s'expandeix. Moltes persones es podien familiaritzar amb aquest fenomen quan posaven una ampolla de plàstic amb una beguda al congelador per refredar-se ràpidament i se n'oblidaven, i llavors l'ampolla esclatava. Quan es refreda a una temperatura de 4 ° C, primer s'observa un augment de la densitat de l'aigua, en què s'assoleix la seva densitat màxima i el seu volum mínim. Aleshores, a temperatures de 4 a 0 °C, es produeix una reordenació dels enllaços a la molècula d'aigua i la seva estructura es torna menys densa.

A una temperatura de 0 ° C, la fase líquida de l'aigua canvia a sòlida. Després que l'aigua es congeli completament i es converteix en gel, el seu volum creix un 8, 4%, la qual cosa fa que l'ampolla de plàstic esclati. El contingut de líquid en molts productes és baix, de manera que no augmenten de volum tan notablement quan es congelen.

3. Absorció i adsorció

Aquests dos fenòmens quasi inseparables, anomenats del llatí sorbeo (absorbir), s'observen, per exemple, en escalfar aigua en una cassola o cassola. Un gas que no actua químicament sobre un líquid pot ser absorbit per aquest en contacte amb ell. Aquest fenomen s'anomena absorció.

Quan els gasos són absorbits per cossos sòlids de gra fi o porosos, la majoria d'ells s'acumulen densament i queden retinguts a la superfície dels porus o grans i no es distribueixen per tot el volum. En aquest cas, el procés s'anomena adsorció. Aquests fenòmens es poden observar en bullir aigua: les bombolles se separen de les parets d'una cassola o bullidor quan s'escalfen.

L'aire alliberat de l'aigua conté un 63% de nitrogen i un 36% d'oxigen. En general, l'aire atmosfèric conté un 78% de nitrogen i un 21% d'oxigen.

La sal de taula en un recipient descobert es pot mullar a causa de les seves propietats higroscòpiques: l'absorció del vapor d'aigua de l'aire. I el bicarbonat de sodi actua com un adsorbent quan es posa a la nevera per eliminar les olors.

4. Manifestació de la llei d'Arquimedes

Quan tinguem a punt per coure el pollastre, omplim l'olla amb aigua aproximadament la meitat o ¾, segons la mida del pollastre. En submergir la carcassa en una olla amb aigua, observem que el pes del pollastre a l'aigua es redueix notablement i l'aigua puja fins a les vores de l'olla.

Aquest fenomen s'explica per la força de flotabilitat o llei d'Arquimedes. En aquest cas, una força de flotació actua sobre un cos submergit en un líquid, igual al pes del líquid en el volum de la part submergida del cos. Aquesta força s'anomena força d'Arquimedes, igual que la pròpia llei, que explica aquest fenomen.

5. Tensió superficial

Molta gent recorda els experiments amb pel·lícules de líquids, que es mostraven a les classes de física a l'escola. Un petit marc de filferro amb un costat mòbil es va submergir en aigua sabonosa i després es va treure. Les forces de tensió superficial de la pel·lícula formades al llarg del perímetre van aixecar la part inferior mòbil del marc. Per mantenir-lo immòbil, se li va suspendre un pes quan es repetia l'experiment.

Aquest fenomen es pot observar en un colador: després de l'ús, l'aigua queda als forats de la part inferior d'aquests estris de cuina. El mateix fenomen es pot observar després de rentar les forquilles: també hi ha ratlles d'aigua a la superfície interna entre algunes de les dents.

La física dels líquids explica aquest fenomen de la següent manera: les molècules líquides estan tan a prop entre elles que les forces d'atracció entre elles creen tensió superficial en el pla de la superfície lliure. Si la força d'atracció de les molècules d'aigua de la pel·lícula líquida és més feble que la força d'atracció a la superfície del colador, la pel·lícula d'aigua es trenca.

A més, les forces de tensió superficial es noten quan aboquem cereals o pèsols, fesols en una cassola amb aigua, o afegim grans rodons de pebre. Alguns grans romandran a la superfície de l'aigua, mentre que la majoria s'enfonsaran al fons sota el pes de la resta. Si premeu lleugerament els grans flotants amb la punta del dit o amb una cullera, superaran la tensió superficial de l'aigua i s'enfonsaran fins al fons.

6. Mullar i estendre

El líquid vessat pot formar petites taques en una estufa recoberta de greix i un sol bassal a la taula. El cas és que les molècules líquides en el primer cas se senten més atretes entre elles que no pas per la superfície de la placa, on hi ha una pel·lícula grassa no mullada per l'aigua, i sobre una taula neta l'atracció de les molècules d'aigua cap a les molècules de la superfície de la taula és més alta que l'atracció de les molècules d'aigua entre elles. Com a resultat, el bassal s'estén.

Aquest fenomen també està relacionat amb la física dels líquids i està relacionat amb la tensió superficial. Com sabeu, una bombolla de sabó o gotes de líquid tenen una forma esfèrica a causa de les forces de tensió superficial.

En una gota, les molècules líquides s'atreuen entre elles amb més força que les molècules de gas i tendeixen a l'interior de la gota líquida, reduint la seva superfície. Però, si hi ha una superfície sòlida mullada, llavors una part de la gota en contacte s'estira al llarg d'ella, perquè les molècules del sòlid atrauen les molècules del líquid, i aquesta força supera la força d'atracció entre les molècules del líquid..

El grau d'humectació i difusió sobre una superfície sòlida dependrà de quina força sigui més gran: la força d'atracció de les molècules d'un líquid i les molècules d'un sòlid entre elles o la força d'atracció de les molècules dins d'un líquid.

Des de 1938, aquest fenomen físic s'ha utilitzat àmpliament a la indústria, en la producció d'articles per a la llar, quan es va sintetitzar material de tefló (politetrafluoroetilè) al laboratori de DuPont.

Les seves propietats s'utilitzen no només en la fabricació d'estris de cuina antiadherents, sinó també en la fabricació de teixits i recobriments impermeables i repel·lents a l'aigua per a roba i calçat. El tefló és reconegut pel Llibre Guinness dels Rècords com la substància més relliscosa del món. Té molt baixa tensió superficial i adherència (enganxament), no està mullat amb aigua, greix ni molts dissolvents orgànics.

7. Conductivitat tèrmica

Un dels fenòmens més habituals a la cuina que podem observar és l'escalfament d'una tetera o aigua en una cassola. La conductivitat tèrmica és la transferència de calor mitjançant el moviment de partícules quan hi ha una diferència (gradient) de temperatura. Entre els tipus de conductivitat tèrmica, també hi ha la convecció.

En el cas de substàncies idèntiques, la conductivitat tèrmica dels líquids és menor que la dels sòlids, i superior a la dels gasos. La conductivitat tèrmica dels gasos i metalls augmenta amb l'augment de la temperatura, i la dels líquids disminueix. Ens trobem constantment davant de la convecció, ja sigui que remenem la sopa o el te amb una cullera, o obrim una finestra, o encenem la ventilació per ventilar la cuina.

Convecció -del llatí convectiō (transferència)- un tipus de transferència de calor quan l'energia interna d'un gas o líquid es transfereix per raigs i corrents. Distingir entre convecció natural i forçada. En el primer cas, les capes de líquid o d'aire es barregen quan s'escalfen o es refreden. I en el segon cas, hi ha una barreja mecànica d'un líquid o gas, amb una cullera, un ventilador o d'una altra manera.

8. Radiació electromagnètica

Un forn de microones de vegades s'anomena forn de microones o forn de microones. L'element principal de cada forn de microones és un magnetró, que converteix l'energia elèctrica en radiació electromagnètica de microones amb una freqüència de fins a 2,45 gigahertz (GHz). La radiació escalfa els aliments interaccionant amb les seves molècules.

Els productes contenen molècules dipols que contenen càrregues elèctriques positives i negatives a les seves parts oposades.

Es tracta de molècules de greixos, sucre, però sobretot les molècules dipols es troben a l'aigua, que es troba en gairebé qualsevol producte. El camp de microones, canviant constantment de direcció, fa que les molècules vibrin amb alta freqüència, que s'alineen al llarg de les línies de força de manera que totes les parts carregades positivament de les molècules "mirin" en una direcció o en l'altra. Sorgeix la fricció molecular, s'allibera energia, que escalfa els aliments.

9. Inducció

A la cuina, cada cop es poden trobar més cuines d'inducció, que es basen en aquest fenomen. El físic anglès Michael Faraday va descobrir la inducció electromagnètica l'any 1831 i des de llavors és impossible imaginar la nostra vida sense ella.

Faraday va descobrir l'aparició d'un corrent elèctric en un bucle tancat a causa d'un canvi en el flux magnètic que passa per aquest bucle. Es coneix una experiència escolar quan un imant pla es mou dins d'un circuit en forma d'espiral d'un cable (solenoide) i hi apareix un corrent elèctric. També hi ha un procés invers: un corrent elèctric altern en un solenoide (bobina) crea un camp magnètic altern.

Una cuina d'inducció moderna funciona amb el mateix principi. Sota un panell de calefacció de vitroceràmica (neutre a les oscil·lacions electromagnètiques) d'aquesta estufa hi ha una bobina d'inducció per la qual flueix un corrent elèctric amb una freqüència de 20-60 kHz, creant un camp magnètic altern que indueix corrents de Foucault en una capa fina. (capa de pell) del fons d'un plat metàl·lic.

La resistència elèctrica escalfa els plats. Aquests corrents no són més perillosos que els plats calents als fogons normals. Els estris de cuina han de ser d'acer o ferro colat amb propietats ferromagnètiques (atraure un imant).

10. Refracció de la llum

L'angle d'incidència de la llum és igual a l'angle de reflexió, i la propagació de la llum natural o de la llum de les làmpades s'explica per una naturalesa dual, ona-partícula: d'una banda, són ones electromagnètiques, i de l'altra, partícules-fotons, que es mouen a la màxima velocitat possible a l'Univers.

A la cuina, podeu observar un fenomen òptic com la refracció de la llum. Per exemple, quan hi ha un gerro transparent amb flors a la taula de la cuina, les tiges de l'aigua semblen desplaçar-se al límit de la superfície de l'aigua en relació a la seva continuació fora del líquid. El cas és que l'aigua, com una lent, refracta els raigs de llum reflectits per les tiges del gerro.

Una cosa semblant s'observa en un got transparent de te, en el qual es submergeix una cullera. També es pot veure una imatge distorsionada i ampliada de fesols o cereals al fons d'una olla profunda d'aigua clara.