ما فیزیک را یاد می گیریم و بدون ترک آشپزخانه به کودکان آموزش می دهیم

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

ما هر روز 1-2 ساعت را در آشپزخانه می گذرانیم. یکی کمتر، یکی بیشتر. همانطور که گفته شد، ما به ندرت در هنگام پختن صبحانه، ناهار یا شام به پدیده های فیزیکی فکر می کنیم. اما غلظت آنها در شرایط روزمره بیشتر از آشپزخانه و آپارتمان نیست. فرصت خوبی برای توضیح فیزیک برای کودکان!

1. انتشار

ما دائما در آشپزخانه با این پدیده مواجه هستیم. نام آن از کلمه لاتین diffusio - تعامل، پراکندگی، توزیع گرفته شده است.

این فرآیند نفوذ متقابل مولکول ها یا اتم های دو ماده مجاور است. سرعت انتشار متناسب با سطح مقطع بدن (حجم) و تفاوت در غلظت ها، دمای مواد مخلوط است. اگر اختلاف دما وجود داشته باشد، جهت انتشار (شیب) را تنظیم می کند - از گرم به سرد. در نتیجه، تراز خود به خودی غلظت مولکول ها یا اتم ها اتفاق می افتد.

این پدیده را می توان در آشپزخانه با انتشار بو مشاهده کرد. به لطف انتشار گازها، نشستن در اتاق دیگر، می توانید بفهمید که چه چیزی پخته می شود. همانطور که می دانید گاز طبیعی بی بو است و برای سهولت تشخیص نشت گاز خانگی به آن افزودنی اضافه می شود.

یک ماده خوشبو مانند اتیل مرکاپتان بوی تند می دهد. اگر بار اول مشعل روشن نشود، بوی خاصی را استشمام می کنیم که از کودکی آن را به عنوان بوی گاز خانگی می شناسیم.

و اگر دانه های چای یا چای کیسه ای را در آب جوش بریزید و هم نزنید، می بینید که چگونه دم کرده چای در حجم آب خالص پخش می شود.

این انتشار مایعات است. نمونه ای از انتشار در یک جامد نمک زدن گوجه فرنگی، خیار، قارچ یا کلم است. کریستال های نمک در آب به یون های Na و Cl تجزیه می شوند که با حرکت آشفته، بین مولکول های مواد موجود در ترکیب سبزیجات یا قارچ ها نفوذ می کنند.

2. تغییر حالت تجمع

تعداد کمی از ما متوجه شدیم که در یک لیوان آب باقی مانده، پس از چند روز، همان قسمتی از آب در دمای اتاق تبخیر می شود که در هنگام جوشاندن 1-2 دقیقه. و وقتی غذا یا آب را برای تکه های یخ در یخچال فریز می کنیم، به این فکر نمی کنیم که چگونه این اتفاق می افتد.

در این میان، این رایج ترین و رایج ترین پدیده های آشپزخانه به راحتی توضیح داده می شوند. یک مایع حالت میانی بین جامدات و گازها دارد.

در دماهایی غیر از جوش یا انجماد، نیروهای جاذبه بین مولکول‌های مایع به اندازه جامدات و گازها قوی یا ضعیف نیستند. بنابراین، به عنوان مثال، تنها با دریافت انرژی (از پرتوهای خورشید، مولکول های هوا در دمای اتاق)، مولکول های مایع از سطح باز به تدریج وارد فاز گاز می شوند و فشار بخار را در بالای سطح مایع ایجاد می کنند.

سرعت تبخیر با افزایش سطح مایع، افزایش دما و کاهش فشار خارجی افزایش می یابد. اگر دما افزایش یابد، فشار بخار این مایع به فشار خارجی می رسد. دمایی که در آن این اتفاق می افتد، نقطه جوش نامیده می شود. نقطه جوش با کاهش فشار خارجی کاهش می یابد. بنابراین در مناطق کوهستانی آب سریعتر می جوشد.

برعکس، وقتی دما کاهش می‌یابد، مولکول‌های آب انرژی جنبشی خود را تا سطح نیروهای جاذبه بین خود از دست می‌دهند. آنها دیگر به طور آشفته حرکت نمی کنند، که اجازه می دهد تا شبکه کریستالی مانند جامدات تشکیل شود. دمای 0 درجه سانتیگراد که در آن این اتفاق می افتد، نقطه انجماد آب نامیده می شود.

وقتی منجمد می شود، آب منبسط می شود.بسیاری از افراد زمانی که یک بطری پلاستیکی همراه با نوشیدنی را برای خنک شدن سریع در فریزر گذاشتند و آن را فراموش کردند و سپس بطری در حال ترکیدن بود، می‌توانستند با این پدیده آشنا شوند. هنگامی که تا دمای 4 درجه سانتیگراد سرد می شود، ابتدا افزایش چگالی آب مشاهده می شود که در آن به حداکثر چگالی و حداقل حجم آن می رسد. سپس در دمای 4 تا 0 درجه سانتیگراد، بازآرایی پیوندها در مولکول آب رخ می دهد و ساختار آن کمتر متراکم می شود.

در دمای 0 درجه سانتیگراد، فاز مایع آب به جامد تبدیل می شود. پس از یخ زدن کامل آب و تبدیل شدن به یخ، حجم آن 8.4 درصد افزایش می یابد که منجر به ترکیدن بطری پلاستیکی می شود. محتوای مایع در بسیاری از محصولات کم است، بنابراین در هنگام یخ زدن حجم آنها به میزان قابل توجهی افزایش نمی یابد.

3. جذب و جذب

این دو پدیده تقریباً جدانشدنی که از لاتین sorbeo (جذب کردن) نامیده می شوند، برای مثال هنگام گرم کردن آب در یک کتری یا قابلمه مشاهده می شوند. گازی که از نظر شیمیایی روی یک مایع عمل نمی کند، با این وجود می تواند در تماس با مایع توسط آن جذب شود. این پدیده جذب نامیده می شود.

وقتی گازها توسط اجسام ریزدانه یا متخلخل جامد جذب می شوند، بیشتر آنها به صورت متراکم تجمع می یابند و روی سطح منافذ یا دانه ها باقی می مانند و در کل حجم پخش نمی شوند. در این مورد، فرآیند جذب نامیده می شود. این پدیده ها را می توان هنگام جوشاندن آب مشاهده کرد - حباب هایی که از دیواره های قابلمه یا کتری جدا می شوند هنگام گرم شدن.

هوای آزاد شده از آب حاوی 63 درصد نیتروژن و 36 درصد اکسیژن است. به طور کلی هوای اتمسفر دارای 78 درصد نیتروژن و 21 درصد اکسیژن است.

نمک سفره در یک ظرف بدون سرپوش به دلیل خاصیت رطوبت سنجی - جذب بخار آب از هوا - می تواند مرطوب شود. و جوش شیرین وقتی در یخچال قرار می گیرد به عنوان جاذب عمل می کند تا بوها را از بین ببرد.

4. تجلی قانون ارشمیدس

وقتی آماده شدیم مرغ را بپزیم، بسته به سایز مرغ، قابلمه را حدود نصف یا ¾ آب پر می کنیم. با فرو بردن لاشه در یک قابلمه آب متوجه می شویم که وزن مرغ در آب به طور محسوسی کاهش می یابد و آب تا لبه های قابلمه بالا می رود.

این پدیده با نیروی شناوری یا قانون ارشمیدس توضیح داده می شود. در این حالت، بر جسم غوطه ور در مایع، نیروی شناوری به اندازه وزن مایع در حجم قسمت غوطه ور بدن وارد می شود. این نیرو، نیروی ارشمیدس نامیده می شود، همانطور که خود قانون نیز این پدیده را توضیح می دهد.

5. کشش سطحی

بسیاری از مردم آزمایش های فیلم های مایعات را که در درس های فیزیک در مدرسه نشان داده می شد، به یاد می آورند. یک قاب سیمی کوچک با یک طرف متحرک در آب صابون فرو رفته و سپس بیرون کشیده شد. نیروهای کشش سطحی در فیلم تشکیل شده در امتداد محیط، قسمت متحرک پایینی قاب را بلند می کند. برای بی حرکت نگه داشتن آن، هنگام تکرار آزمایش، وزنه ای از آن آویزان شد.

این پدیده را می توان در یک آبکش مشاهده کرد - پس از استفاده، آب در سوراخ های کف این ظروف آشپزخانه باقی می ماند. همین پدیده را می توان پس از شستن چنگال ها مشاهده کرد - همچنین رگه هایی از آب در سطح داخلی بین برخی از دندان ها وجود دارد.

فیزیک مایعات این پدیده را چنین توضیح می دهد: مولکول های مایع به قدری به یکدیگر نزدیک هستند که نیروهای جاذبه بین آنها باعث ایجاد کشش سطحی در صفحه سطح آزاد می شود. اگر نیروی جاذبه مولکول های آب لایه مایع ضعیف تر از نیروی جاذبه به سطح صافی باشد، لایه آب می شکند.

همچنین وقتی غلات یا نخود، لوبیاها را با آب داخل قابلمه می ریزیم یا دانه های گرد فلفل اضافه می کنیم، نیروهای کشش سطحی قابل توجه است. برخی از دانه‌ها روی سطح آب باقی می‌مانند، در حالی که بیشتر آن‌ها تحت وزن بقیه به پایین فرو می‌روند. اگر دانه های شناور را با نوک انگشت یا قاشق به آرامی فشار دهید، بر کشش سطحی آب غلبه کرده و به ته فرو می روند.

6. خیس شدن و پخش شدن

مایع ریخته شده ممکن است لکه های کوچکی روی یک اجاق گاز با پوشش روغنی و یک گودال منفرد روی میز ایجاد کند.موضوع این است که مولکول های مایع در حالت اول بیشتر به یکدیگر جذب می شوند تا سطح صفحه ، جایی که یک لایه چربی وجود دارد که توسط آب خیس نشده است و روی یک میز تمیز جذب مولکول های آب به مولکول های سطح میز بالاتر از جاذبه مولکول های آب به یکدیگر است. در نتیجه، گودال پخش می شود.

این پدیده به فیزیک مایعات نیز مربوط می شود و مربوط به کشش سطحی است. همانطور که می دانید حباب صابون یا قطرات مایع به دلیل نیروهای کشش سطحی شکل کروی دارند.

در یک قطره، مولکول‌های مایع با شدت بیشتری نسبت به مولکول‌های گاز به یکدیگر جذب می‌شوند و به داخل قطره مایع تمایل دارند و سطح آن را کاهش می‌دهند. اما اگر سطح خیس شده جامد وجود داشته باشد، قسمتی از قطره هنگام تماس در امتداد آن کشیده می شود، زیرا مولکول های جامد مولکول های مایع را جذب می کنند و این نیرو بیشتر از نیروی جاذبه بین مولکول های مایع است..

درجه خیس شدن و پخش شدن روی سطح جامد بستگی به این دارد که کدام نیرو بیشتر باشد - نیروی جاذبه مولکول های یک مایع و مولکول های یک جامد بین خود یا نیروی جاذبه مولکول های داخل مایع.

از سال 1938، زمانی که مواد تفلون (پلی تترا فلوئورواتیلن) در آزمایشگاه DuPont سنتز شد، این پدیده فیزیکی به طور گسترده در صنعت، در تولید کالاهای خانگی مورد استفاده قرار گرفت.

از خواص آن نه تنها در ساخت ظروف نچسب، بلکه در ساخت پارچه های ضد آب و ضد آب و روکش های لباس و کفش نیز استفاده می شود. تفلون در کتاب رکوردهای گینس به عنوان لغزنده ترین ماده جهان شناخته شده است. کشش سطحی و چسبندگی (چسبندگی) بسیار کم دارد، با آب، گریس یا بسیاری از حلال های آلی خیس نمی شود.

7. هدایت حرارتی

یکی از رایج ترین پدیده هایی که در آشپزخانه مشاهده می کنیم گرم شدن کتری یا آب در قابلمه است. رسانایی حرارتی انتقال گرما از طریق حرکت ذرات در زمانی که اختلاف (گرادیان) در دما وجود دارد. در میان انواع هدایت حرارتی، همرفت نیز وجود دارد.

در مورد مواد یکسان، هدایت حرارتی مایعات کمتر از جامدات و بالاتر از گازها است. رسانایی حرارتی گازها و فلزات با افزایش دما افزایش می یابد و هدایت حرارتی مایعات کاهش می یابد. ما دائماً با همرفت مواجه هستیم، چه سوپ یا چای را با قاشق هم بزنیم، چه پنجره را باز کنیم یا تهویه را برای تهویه آشپزخانه روشن کنیم.

همرفت - از لاتین convectiō (انتقال) - نوعی انتقال حرارت زمانی که انرژی داخلی یک گاز یا مایع توسط جت ها و جریان ها منتقل می شود. بین همرفت طبیعی و اجباری تمایز قائل شوید. در حالت اول، لایه‌های مایع یا هوا وقتی گرم یا سرد می‌شوند، خودشان مخلوط می‌شوند. و در مورد دوم، اختلاط مکانیکی مایع یا گاز - با قاشق، فن یا به روشی دیگر وجود دارد.

8. تشعشعات الکترومغناطیسی

اجاق مایکروویو گاهی اوقات مایکروویو یا اجاق مایکروویو نامیده می شود. عنصر اصلی هر اجاق مایکروویو یک مگنترون است که انرژی الکتریکی را به تابش الکترومغناطیسی مایکروویو با فرکانس حداکثر 2.45 گیگاهرتز (گیگاهرتز) تبدیل می کند. تشعشعات غذا را با برهمکنش با مولکول های آن گرم می کند.

محصولات حاوی مولکول های دوقطبی حاوی بارهای الکتریکی مثبت و منفی در قسمت های مخالف خود هستند.

اینها مولکولهای چربی، شکر هستند، اما بیشتر از همه مولکولهای دوقطبی در آب هستند که تقریباً در هر محصولی یافت می شود. میدان مایکروویو، دائماً جهت خود را تغییر می‌دهد، مولکول‌ها را با فرکانس بالا به ارتعاش وا می‌دارد، که در امتداد خطوط نیرو قرار می‌گیرند به طوری که تمام قسمت‌های باردار مثبت مولکول‌ها در یک جهت یا جهت دیگر «نگاه» می‌کنند. اصطکاک مولکولی بوجود می آید، انرژی آزاد می شود که غذا را گرم می کند.

9. القاء

در آشپزخانه، شما می توانید به طور فزاینده ای اجاق های القایی را پیدا کنید که بر اساس این پدیده ساخته شده اند.مایکل فارادی، فیزیکدان انگلیسی، القای الکترومغناطیسی را در سال 1831 کشف کرد و از آن زمان تاکنون تصور زندگی بدون آن غیرممکن بوده است.

فارادی وقوع یک جریان الکتریکی را در یک حلقه بسته به دلیل تغییر در شار مغناطیسی عبوری از این حلقه کشف کرد. یک تجربه مدرسه زمانی شناخته می شود که یک آهنربای تخت در داخل یک مدار مارپیچی شکل یک سیم (سلونوئید) حرکت کند و یک جریان الکتریکی در آن ظاهر شود. یک فرآیند معکوس نیز وجود دارد - یک جریان الکتریکی متناوب در یک سلونوئید (سیم پیچ) یک میدان مغناطیسی متناوب ایجاد می کند.

یک اجاق القایی مدرن بر اساس همان اصل کار می کند. در زیر یک پانل گرمایش شیشه-سرامیک (خنثی به نوسانات الکترومغناطیسی) چنین اجاقی یک سیم پیچ القایی وجود دارد که از طریق آن یک جریان الکتریکی با فرکانس 20-60 کیلوهرتز جریان می یابد و یک میدان مغناطیسی متناوب ایجاد می کند که جریان های گردابی را در یک لایه نازک القا می کند. (لایه پوست) ته ظرف فلزی.

مقاومت الکتریکی ظروف را گرم می کند. این جریان ها خطرناک تر از ظروف قرمز داغ روی اجاق های معمولی نیستند. ظروف آشپزی باید فولادی یا چدنی با خواص فرومغناطیسی (جذب آهنربا) باشد.

10. شکست نور

زاویه تابش نور برابر با زاویه انعکاس است و انتشار نور طبیعی یا نور از لامپ ها با ماهیت دوگانه موج-ذره توضیح داده می شود: از یک طرف این امواج الکترومغناطیسی هستند و از طرف دیگر ذرات- فوتون ها که با حداکثر سرعت ممکن در کیهان حرکت می کنند.

در آشپزخانه می توانید چنین پدیده نوری مانند شکست نور را مشاهده کنید. به عنوان مثال، هنگامی که یک گلدان شفاف با گل روی میز آشپزخانه وجود دارد، به نظر می رسد ساقه های موجود در آب در مرز سطح آب نسبت به ادامه آنها در خارج از مایع جابجا می شوند. واقعیت این است که آب، مانند یک عدسی، پرتوهای نور منعکس شده از ساقه های گلدان را می شکند.

چیزی مشابه در یک لیوان چای شفاف مشاهده می شود که یک قاشق در آن فرو می رود. همچنین می توانید یک تصویر بزرگ و تحریف شده از لوبیا یا غلات را در ته دیگ عمیق آب شفاف ببینید.