We leren natuurkunde en leren kinderen zonder de keuken te verlaten

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Elke dag brengen we 1-2 uur door in de keuken. Iemand minder, iemand meer. Dat gezegd hebbende, denken we zelden aan fysieke verschijnselen als we ontbijt, lunch of diner koken. Maar er kan geen grotere concentratie van hen zijn in alledaagse omstandigheden dan in de keuken, in het appartement. Een mooie gelegenheid om kinderen natuurkunde uit te leggen!

1. Diffusie

In de keuken worden we constant met dit fenomeen geconfronteerd. De naam is afgeleid van het Latijnse diffusio - interactie, verspreiding, distributie.

Dit is het proces van wederzijdse penetratie van moleculen of atomen van twee aangrenzende stoffen. De diffusiesnelheid is evenredig met het dwarsdoorsnede-oppervlak van het lichaam (volume) en het verschil in concentraties, temperaturen van de gemengde stoffen. Als er een temperatuurverschil is, bepaalt dit de voortplantingsrichting (gradiënt) - van warm naar koud. Als resultaat treedt spontane uitlijning van de concentraties van moleculen of atomen op.

Dit fenomeen kan in de keuken worden waargenomen wanneer geuren zich verspreiden. Dankzij de diffusie van gassen, zittend in een andere kamer, kun je begrijpen wat er wordt gekookt. Zoals u weet, is aardgas geurloos en wordt er een additief aan toegevoegd om lekkage van huishoudelijk gas gemakkelijker op te sporen.

Een geurstof zoals ethylmercaptan voegt een penetrante geur toe. Als de brander de eerste keer niet aangaat, kunnen we een specifieke geur ruiken, die we van kinds af aan kennen als de geur van huishoudgas.

En als je theekorrels of een theezakje in kokend water gooit en niet roert, kun je zien hoe de thee-infusie zich verspreidt in het volume zuiver water.

Dit is de diffusie van vloeistoffen. Een voorbeeld van diffusie in een vaste stof is het zouten van tomaat, komkommer, champignons of kool. Zoutkristallen in water vallen uiteen in Na- en Cl-ionen, die chaotisch bewegend tussen de moleculen van stoffen in de samenstelling van groenten of paddenstoelen doordringen.

2. Wijziging van aggregatiestatus

Weinigen van ons hebben gemerkt dat in een linker glas water na een paar dagen hetzelfde deel van het water bij kamertemperatuur verdampt als bij 1-2 minuten koken. En wanneer we voedsel of water voor ijsblokjes in de koelkast invriezen, denken we niet na over hoe dit gebeurt.

Ondertussen zijn deze meest voorkomende en veelvoorkomende keukenfenomenen gemakkelijk te verklaren. Een vloeistof heeft een tussentoestand tussen vaste stoffen en gassen.

Bij andere temperaturen dan koken of bevriezen zijn de aantrekkingskrachten tussen moleculen in een vloeistof niet zo sterk of zwak als in vaste stoffen en gassen. Daarom, bijvoorbeeld door alleen energie te ontvangen (van zonnestralen, luchtmoleculen bij kamertemperatuur), gaan de vloeibare moleculen van het open oppervlak geleidelijk over in de gasfase, waardoor een dampdruk boven het vloeistofoppervlak ontstaat.

De verdampingssnelheid neemt toe met een toename van het vloeistofoppervlak, een toename van de temperatuur en een afname van de externe druk. Als de temperatuur wordt verhoogd, bereikt de dampdruk van deze vloeistof de externe druk. De temperatuur waarbij dit gebeurt, wordt het kookpunt genoemd. Het kookpunt neemt af met afnemende externe druk. Daarom kookt water in bergachtige gebieden sneller.

Omgekeerd, wanneer de temperatuur daalt, verliezen watermoleculen hun kinetische energie tot het niveau van de onderlinge aantrekkingskrachten. Ze bewegen niet langer chaotisch, wat de vorming van een kristalrooster zoals dat van vaste stoffen mogelijk maakt. De temperatuur van 0°C waarbij dit gebeurt, wordt het vriespunt van water genoemd.

Als het bevroren is, zet water uit. Veel mensen konden kennis maken met dit fenomeen toen ze een plastic fles met een drankje in de vriezer stopten om snel af te koelen en het vergaten, en toen barstte de fles. Bij afkoeling tot een temperatuur van 4 ° C wordt eerst een toename van de dichtheid van water waargenomen, waarbij de maximale dichtheid en het minimale volume worden bereikt. Dan, bij temperaturen van 4 tot 0 ° C, vindt een herschikking van bindingen in het watermolecuul plaats en wordt de structuur minder dicht.

Bij een temperatuur van 0°C verandert de vloeibare fase van water in vast. Nadat het water volledig bevriest en in ijs verandert, groeit het volume met 8, 4%, wat leidt tot het barsten van de plastic fles. Het vloeistofgehalte in veel producten is laag, zodat ze niet zo merkbaar in volume toenemen als ze worden ingevroren.

3. Absorptie en adsorptie

Deze twee bijna onafscheidelijke verschijnselen, genoemd naar het Latijnse sorbeo (absorberen), worden bijvoorbeeld waargenomen bij het verwarmen van water in een waterkoker of pan. Een gas dat niet chemisch op een vloeistof inwerkt, kan er toch door worden geabsorbeerd bij contact ermee. Dit fenomeen wordt absorptie genoemd.

Wanneer gassen worden geabsorbeerd door vaste fijnkorrelige of poreuze lichamen, hopen de meeste van hen dicht op elkaar en worden vastgehouden op het oppervlak van poriën of korrels en worden niet door het volume verdeeld. In dit geval wordt het proces adsorptie genoemd. Deze verschijnselen kunnen worden waargenomen bij kokend water - bellen scheiden zich van de wanden van een pan of waterkoker wanneer deze wordt verwarmd.

De lucht die vrijkomt uit water bevat 63% stikstof en 36% zuurstof. Over het algemeen bevat atmosferische lucht 78% stikstof en 21% zuurstof.

Tafelzout in een niet-afgedekte container kan nat worden vanwege zijn hygroscopische eigenschappen - de opname van waterdamp uit de lucht. En zuiveringszout werkt als een adsorbens wanneer het in de koelkast wordt geplaatst om geuren te verwijderen.

4. Manifestatie van de wet van Archimedes

Als we klaar zijn om de kip te koken, vullen we de pan met water voor ongeveer de helft of ¾, afhankelijk van de grootte van de kip. Door het karkas onder te dompelen in een pot met water, merken we dat het gewicht van de kip in het water merkbaar wordt verminderd, en het water stijgt naar de randen van de pot.

Dit fenomeen wordt verklaard door de opwaartse kracht of de wet van Archimedes. In dit geval werkt een opwaartse kracht op een lichaam ondergedompeld in een vloeistof, gelijk aan het gewicht van de vloeistof in het volume van het ondergedompelde deel van het lichaam. Deze kracht wordt de kracht van Archimedes genoemd, evenals de wet zelf, die dit fenomeen verklaart.

5. Oppervlaktespanning

Veel mensen herinneren zich de experimenten met films van vloeistoffen, die op school werden getoond in natuurkundelessen. Een klein draadframe met een beweegbare kant werd in zeepsop gedompeld en vervolgens eruit getrokken. De krachten van oppervlaktespanning in de film gevormd langs de omtrek tilden het onderste beweegbare deel van het frame op. Om het onbeweeglijk te houden, werd er een gewicht aan opgehangen toen het experiment werd herhaald.

Dit fenomeen kan worden waargenomen in een vergiet - na gebruik blijft er water in de gaten in de bodem van dit keukengerei achter. Hetzelfde fenomeen kan worden waargenomen na het wassen van de vorken - er zijn ook strepen water op het binnenoppervlak tussen sommige tanden.

De fysica van vloeistoffen verklaart dit fenomeen als volgt: vloeibare moleculen liggen zo dicht bij elkaar dat de aantrekkingskrachten ertussen oppervlaktespanning creëren in het vlak van het vrije oppervlak. Als de aantrekkingskracht van watermoleculen van de vloeibare film zwakker is dan de aantrekkingskracht op het oppervlak van het vergiet, dan breekt de waterfilm.

Ook zijn de krachten van oppervlaktespanning merkbaar wanneer we granen of erwten, bonen in een pan met water gieten of ronde peperkorrels toevoegen. Sommige korrels blijven op het wateroppervlak, terwijl de meeste onder het gewicht van de rest naar de bodem zinken. Als je met de top van je vinger of een lepel licht op de drijvende korrels drukt, overwinnen ze de oppervlaktespanning van het water en zinken ze naar de bodem.

6. Bevochtiging en verspreiding

Gemorste vloeistof kan kleine vlekjes vormen op een met vet bedekt fornuis en een enkele plas op de tafel. Het punt is dat de vloeibare moleculen in het eerste geval meer door elkaar worden aangetrokken dan door het oppervlak van de plaat, waar zich een vettige film bevindt die niet door water wordt bevochtigd, en op een schone tafel de aantrekkingskracht van watermoleculen op de moleculen van het tafeloppervlak is groter dan de aantrekkingskracht van watermoleculen op elkaar. Als gevolg hiervan verspreidt de plas zich.

Dit fenomeen is ook gerelateerd aan de fysica van vloeistoffen en is gerelateerd aan oppervlaktespanning. Zoals u weet, hebben een zeepbel of vloeistofdruppels een bolvorm vanwege oppervlaktespanningskrachten.

In een druppel worden vloeibare moleculen sterker door elkaar aangetrokken dan door gasmoleculen, en neigen ze naar de binnenkant van de vloeistofdruppel, waardoor het oppervlak kleiner wordt. Maar als er een vast bevochtigd oppervlak is, dan wordt een deel van de druppel bij contact erover uitgerekt, omdat de moleculen van de vaste stof de moleculen van de vloeistof aantrekken, en deze kracht is groter dan de aantrekkingskracht tussen de moleculen van de vloeistof.

De mate van bevochtiging en verspreiding over een vast oppervlak zal afhangen van welke kracht groter is - de aantrekkingskracht van moleculen van een vloeistof en moleculen van een vaste stof onderling of de aantrekkingskracht van moleculen in een vloeistof.

Sinds 1938 wordt dit fysische fenomeen veel gebruikt in de industrie, bij de productie van huishoudelijke artikelen, toen Teflon (polytetrafluorethyleen) materiaal werd gesynthetiseerd in het DuPont-laboratorium.

De eigenschappen ervan worden niet alleen gebruikt bij de vervaardiging van kookgerei met antiaanbaklaag, maar ook bij de vervaardiging van waterdichte, waterafstotende stoffen en coatings voor kleding en schoenen. Teflon wordt door het Guinness Book of Records erkend als 's werelds meest gladde stof. Het heeft een zeer lage oppervlaktespanning en hechting (plakken), het is niet bevochtigd met water, vet of veel organische oplosmiddelen.

7. Thermische geleidbaarheid:

Een van de meest voorkomende verschijnselen in de keuken die we kunnen waarnemen, is het opwarmen van een waterkoker of water in een pan. Thermische geleidbaarheid is de overdracht van warmte door de beweging van deeltjes wanneer er een verschil (gradiënt) in temperatuur is. Onder de soorten thermische geleidbaarheid is er ook convectie.

Bij identieke stoffen is de thermische geleidbaarheid van vloeistoffen kleiner dan die van vaste stoffen en hoger dan die van gassen. De thermische geleidbaarheid van gassen en metalen neemt toe met toenemende temperatuur, en die van vloeistoffen neemt af. We hebben constant te maken met convectie, of we nu soep of thee roeren met een lepel, een raam openzetten of de ventilatie aanzetten om de keuken te ventileren.

Convectie - van het Latijnse convectiō (overdracht) - een soort warmteoverdracht wanneer de interne energie van een gas of vloeistof wordt overgedragen door jets en stromen. Maak onderscheid tussen natuurlijke convectie en geforceerde convectie. In het eerste geval worden vloeistof- of luchtlagen zelf gemengd bij verwarming of koeling. En in het tweede geval is er een mechanische vermenging van een vloeistof of gas - met een lepel, ventilator of op een andere manier.

8. Elektromagnetische straling

Een magnetron wordt soms een magnetron of magnetron genoemd. Het belangrijkste element van elke magnetron is een magnetron, die elektrische energie omzet in elektromagnetische microgolfstraling met een frequentie tot 2,45 gigahertz (GHz). Straling verwarmt voedsel door interactie met zijn moleculen.

De producten bevatten dipoolmoleculen die positieve elektrische en negatieve ladingen op hun tegenovergestelde delen bevatten.

Dit zijn moleculen van vetten, suiker, maar vooral dipoolmoleculen zitten in water, dat in bijna elk product voorkomt. Het microgolfveld, dat constant van richting verandert, laat de moleculen met hoge frequentie trillen, die zich langs de krachtlijnen opstellen, zodat alle positief geladen delen van de moleculen in de ene of de andere richting "kijken". Er ontstaat moleculaire wrijving, er komt energie vrij die het voedsel opwarmt.

9. Inductie

In de keuken vind je steeds vaker inductiekookplaten, die op dit fenomeen zijn gebaseerd. De Engelse natuurkundige Michael Faraday ontdekte elektromagnetische inductie in 1831 en sindsdien is het onmogelijk om ons leven zonder voor te stellen.

Faraday ontdekte het optreden van een elektrische stroom in een gesloten lus als gevolg van een verandering in de magnetische flux die door deze lus gaat. Een schoolervaring is bekend wanneer een platte magneet in een spiraalvormig circuit van een draad (solenoïde) beweegt en er een elektrische stroom in verschijnt. Er is ook een omgekeerd proces - een elektrische wisselstroom in een solenoïde (spoel) creëert een wisselend magnetisch veld.

Een moderne inductiekookplaat werkt volgens hetzelfde principe. Onder een glaskeramisch verwarmingspaneel (neutraal tot elektromagnetische trillingen) van een dergelijke kachel bevindt zich een inductiespoel waar een elektrische stroom doorheen stroomt met een frequentie van 20-60 kHz, waardoor een wisselend magnetisch veld ontstaat dat wervelstromen induceert in een dunne laag (huidlaag) van de bodem van een metalen schaal.

De elektrische weerstand verwarmt de gerechten. Deze stromen zijn niet gevaarlijker dan gloeiend hete gerechten op gewone fornuizen. Kookgerei moet van staal of gietijzer zijn met ferromagnetische eigenschappen (trekken een magneet aan).

10. Breking van licht

De hoek van inval van licht is gelijk aan de hoek van reflectie, en de voortplanting van natuurlijk licht of licht van lampen wordt verklaard door een dubbele, golf-deeltjes aard: aan de ene kant zijn dit elektromagnetische golven, en aan de andere kant, deeltjes-fotonen, die met de hoogst mogelijke snelheid in het heelal bewegen.

In de keuken kun je zo'n optisch fenomeen waarnemen als de breking van licht. Als er bijvoorbeeld een transparante vaas met bloemen op de keukentafel staat, lijken de stelen in het water op de grens van het wateroppervlak te verschuiven ten opzichte van hun voortzetting buiten de vloeistof. Feit is dat water, net als een lens, de lichtstralen weerkaatst die door de stelen in de vaas worden weerkaatst.

Iets soortgelijks wordt waargenomen in een transparant glas thee, waarin een lepel wordt gedompeld. Je ziet ook een vervormd en vergroot beeld van bonen of granen op de bodem van een diepe pan met helder water.