نتعلم الفيزياء ونعلم الأطفال دون مغادرة المطبخ

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

نقضي ساعة إلى ساعتين في المطبخ كل يوم. شخص أقل ، شخص أكثر. ومع ذلك ، نادرًا ما نفكر في الظواهر الجسدية عندما نطبخ الإفطار أو الغداء أو العشاء. لكن لا يمكن أن يكون هناك تركيز أكبر لهم في الظروف اليومية أكثر من المطبخ ، في الشقة. فرصة جيدة لشرح الفيزياء للأطفال!

1. الانتشار

نواجه باستمرار هذه الظاهرة في المطبخ. اسمها مشتق من اللاتينية diffusio - التفاعل والتشتت والتوزيع.

هذه هي عملية الاختراق المتبادل لجزيئات أو ذرات مادتين متجاورتين. يتناسب معدل الانتشار مع مساحة المقطع العرضي للجسم (الحجم) ، والاختلاف في التركيزات ودرجات حرارة المواد المختلطة. إذا كان هناك اختلاف في درجة الحرارة ، فإنه يحدد اتجاه الانتشار (التدرج) - من الساخن إلى البارد. نتيجة لذلك ، تحدث محاذاة تلقائية لتركيزات الجزيئات أو الذرات.

يمكن ملاحظة هذه الظاهرة في المطبخ عند انتشار الروائح. بفضل انتشار الغازات ، عند الجلوس في غرفة أخرى ، يمكنك فهم ما هو الطبخ. كما تعلم ، فإن الغاز الطبيعي عديم الرائحة ويتم إضافة مادة مضافة إليه لتسهيل اكتشاف تسرب الغاز المنزلي.

رائحة مثل إيثيل مركابتان تضيف رائحة نفاذة. إذا لم يضيء الموقد في المرة الأولى ، فيمكننا شم رائحة معينة ، والتي نعرفها منذ الطفولة على أنها رائحة الغاز المنزلي.

وإذا قمت برمي حبات الشاي أو أكياس الشاي في الماء المغلي ولم تقم بالتحريك ، يمكنك أن ترى كيف ينتشر منقوع الشاي في حجم الماء النقي.

هذا هو انتشار السوائل. من الأمثلة على الانتشار في مادة صلبة تمليح الطماطم أو الخيار أو الفطر أو الملفوف. تتحلل بلورات الملح في الماء إلى أيونات الصوديوم والكلوريد ، والتي تتحرك بشكل عشوائي ، تخترق بين جزيئات المواد في تكوين الخضروات أو الفطر.

2. تغيير حالة التجميع

لاحظ القليل منا أنه في كوب الماء الأيسر ، بعد بضعة أيام ، يتبخر نفس الجزء من الماء في درجة حرارة الغرفة كما هو الحال عند الغليان لمدة 1-2 دقيقة. وعندما نقوم بتجميد الطعام أو الماء لمكعبات الثلج في الثلاجة ، لا نفكر في كيفية حدوث ذلك.

وفي الوقت نفسه ، يمكن شرح ظواهر المطبخ الأكثر شيوعًا وشيوعًا بسهولة. السائل له حالة وسيطة بين المواد الصلبة والغازات.

في درجات حرارة غير الغليان أو التجمد ، لا تكون قوى التجاذب بين الجزيئات في السائل قوية أو ضعيفة كما في المواد الصلبة والغازات. لذلك ، على سبيل المثال ، عند تلقي الطاقة فقط (من أشعة الشمس ، وجزيئات الهواء عند درجة حرارة الغرفة) ، فإن جزيئات السائل من السطح المفتوح تمر تدريجياً إلى الطور الغازي ، مما يخلق ضغط بخار فوق سطح السائل.

يزداد معدل التبخر مع زيادة مساحة سطح السائل وزيادة درجة الحرارة وانخفاض الضغط الخارجي. إذا زادت درجة الحرارة ، فإن ضغط بخار هذا السائل يصل إلى الضغط الخارجي. تسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا بدرجة الغليان. تنخفض نقطة الغليان مع انخفاض الضغط الخارجي. لذلك ، في المناطق الجبلية ، يغلي الماء بشكل أسرع.

بالمقابل ، عندما تنخفض درجة الحرارة ، تفقد جزيئات الماء طاقتها الحركية إلى مستوى قوى الجذب فيما بينها. لم تعد تتحرك بشكل عشوائي ، مما يسمح بتكوين شبكة بلورية مثل تلك الموجودة في المواد الصلبة. تسمى درجة الحرارة 0 درجة مئوية التي يحدث عندها هذا نقطة تجمد الماء.

عند التجميد ، يتمدد الماء.يمكن للعديد من الناس التعرف على هذه الظاهرة عندما وضعوا زجاجة بلاستيكية بها مشروب في الفريزر للتبريد السريع ونسوها ، ثم انفجرت الزجاجة. عند التبريد إلى درجة حرارة 4 درجات مئوية ، لوحظ لأول مرة زيادة في كثافة الماء ، حيث يتم الوصول إلى أقصى كثافة وأقل حجم. ثم ، عند درجات حرارة تتراوح من 4 إلى 0 درجة مئوية ، تحدث إعادة ترتيب الروابط في جزيء الماء ، ويصبح هيكلها أقل كثافة.

عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، تتغير المرحلة السائلة من الماء إلى الحالة الصلبة. بعد أن يتجمد الماء تمامًا ويتحول إلى ثلج ، يزداد حجمه بنسبة 8 ، 4٪ ، مما يؤدي إلى انفجار الزجاجة البلاستيكية. المحتوى السائل في العديد من المنتجات منخفض ، لذلك لا يزداد حجمها بشكل ملحوظ عند التجميد.

3. الامتصاص والامتصاص

يتم ملاحظة هاتين الظاهرتين اللتين لا يمكن فصلهما تقريبًا ، تسمى من اللاتينية sorbeo (لامتصاص) ، على سبيل المثال ، عند تسخين الماء في غلاية أو قدر. ومع ذلك ، يمكن للغاز الذي لا يعمل كيميائيًا على سائل أن يمتصه عند ملامسته له. هذه الظاهرة تسمى الامتصاص.

عندما يتم امتصاص الغازات بواسطة أجسام صلبة ذات حبيبات دقيقة أو مسامية ، يتراكم معظمها بكثافة ويحتفظ بها على سطح المسام أو الحبوب ولا يتم توزيعها في جميع أنحاء الحجم. في هذه الحالة ، تسمى العملية الامتزاز. يمكن ملاحظة هذه الظواهر عند غليان الماء - تنفصل الفقاعات عن جدران قدر أو غلاية عند تسخينها.

يحتوي الهواء المنطلق من الماء على 63٪ نيتروجين و 36٪ أكسجين. بشكل عام ، يحتوي الهواء الجوي على 78٪ نيتروجين و 21٪ أكسجين.

يمكن أن يصبح ملح الطعام في حاوية غير مغطاة مبللاً بسبب خصائصه الرطبة - امتصاص بخار الماء من الهواء. وتعمل صودا الخبز كمادة ماصة عند وضعها في الثلاجة لإزالة الروائح الكريهة.

4. مظهر من مظاهر قانون أرخميدس

عندما نكون مستعدين لطهي الدجاج نملأ القدر بالماء بحوالي نصف أو حسب حجم الدجاجة. بغمر الذبيحة في إناء من الماء نلاحظ انخفاض وزن الدجاج في الماء بشكل ملحوظ ، ويرتفع الماء إلى حواف الإناء.

تفسر هذه الظاهرة بقوة الطفو أو قانون أرخميدس. في هذه الحالة ، تؤثر قوة الطفو على جسم مغمور في سائل ، مساوٍ لوزن السائل في حجم الجزء المغمور من الجسم. هذه القوة تسمى قوة أرخميدس ، كما هو القانون نفسه الذي يفسر هذه الظاهرة.

5. التوتر السطحي

يتذكر الكثير من الناس التجارب على أفلام السوائل ، والتي تم عرضها في دروس الفيزياء في المدرسة. تم غمس إطار سلكي صغير مع جانب واحد متحرك في ماء به صابون ثم تم سحبه للخارج. رفعت قوى التوتر السطحي في الفيلم المتكونة على طول المحيط الجزء السفلي المتحرك من الإطار. لإبقائه ساكنًا ، تم تعليق وزن منه عند إعادة التجربة.

يمكن ملاحظة هذه الظاهرة في المصفاة - بعد الاستخدام ، يبقى الماء في الفتحات الموجودة في قاع أدوات المطبخ. يمكن ملاحظة نفس الظاهرة بعد غسل الشوك - هناك أيضًا خطوط من الماء على السطح الداخلي بين بعض الأسنان.

تشرح فيزياء السوائل هذه الظاهرة على النحو التالي: الجزيئات السائلة قريبة جدًا من بعضها البعض لدرجة أن قوى الجذب بينها تخلق توترًا سطحيًا في مستوى السطح الحر. إذا كانت قوة جذب جزيئات الماء للفيلم السائل أضعف من قوة الجذب لسطح المصفاة ، فإن غشاء الماء ينكسر.

أيضًا ، تكون قوى التوتر السطحي ملحوظة عندما نسكب الحبوب أو البازلاء ، أو الفاصوليا في قدر مع الماء ، أو نضيف حبات دائرية من الفلفل. ستبقى بعض الحبوب على سطح الماء ، بينما يغوص معظمها في القاع تحت وطأة وزن الباقي. إذا ضغطت برفق على الحبوب الطافية بطرف إصبعك أو بملعقة ، فسوف تتغلب على التوتر السطحي للماء وتغرق في القاع.

6. ترطيب وانتشار

قد يشكل السائل المنسكب بقعًا صغيرة على الموقد المغطى بالدهون وبركة واحدة على المنضدة.الشيء هو أن الجزيئات السائلة في الحالة الأولى تنجذب إلى بعضها البعض أكثر من سطح الصفيحة ، حيث يوجد غشاء دهني غير مبلل بالماء ، وعلى طاولة نظيفة تجذب جزيئات الماء إلى جزيئات سطح الطاولة أعلى من جاذبية جزيئات الماء لبعضها البعض. نتيجة لذلك ، تنتشر البركة.

ترتبط هذه الظاهرة أيضًا بفيزياء السوائل وترتبط بالتوتر السطحي. كما تعلم ، فإن فقاعة الصابون أو القطرات السائلة لها شكل كروي بسبب قوى التوتر السطحي.

في القطرة ، تنجذب الجزيئات السائلة إلى بعضها البعض بقوة أكبر من جزيئات الغاز ، وتميل إلى داخل القطرة السائلة ، مما يقلل من مساحة سطحها. ولكن إذا كان هناك سطح صلب مبلل ، فإن جزءًا من القطرة عند التلامس يتمدد على طوله ، لأن جزيئات المادة الصلبة تجذب جزيئات السائل ، وهذه القوة تتجاوز قوة التجاذب بين جزيئات السائل..

ستعتمد درجة الترطيب والانتشار على سطح صلب على القوة الأكبر - قوة جذب جزيئات السائل وجزيئات المادة الصلبة فيما بينها أو قوة جذب الجزيئات داخل السائل.

منذ عام 1938 ، تم استخدام هذه الظاهرة الفيزيائية على نطاق واسع في الصناعة ، في إنتاج السلع المنزلية ، عندما تم تصنيع مادة Teflon (polytetrafluoroethylene) في مختبر DuPont.

تستخدم خصائصه ليس فقط في صناعة أواني الطهي غير اللاصقة ، ولكن أيضًا في تصنيع الأقمشة المقاومة للماء والطاردة للماء والطلاء للملابس والأحذية. تم التعرف على التفلون في كتاب غينيس للأرقام القياسية باعتباره المادة الأكثر انزلاقًا في العالم. لديها توتر سطحي منخفض للغاية ولصق (التصاق) ، ولا يتم ترطيبها بالماء أو الشحوم أو العديد من المذيبات العضوية.

7. التوصيل الحراري

واحدة من أكثر الظواهر شيوعًا في المطبخ التي يمكننا ملاحظتها هي تسخين غلاية أو ماء في قدر. الموصلية الحرارية هي انتقال الحرارة من خلال حركة الجزيئات عند وجود اختلاف (التدرج) في درجة الحرارة. من بين أنواع التوصيل الحراري ، هناك أيضًا الحمل الحراري.

في حالة وجود مواد متطابقة ، تكون الموصلية الحرارية للسوائل أقل من تلك للمواد الصلبة ، وأعلى من تلك الخاصة بالغازات. تزداد الموصلية الحرارية للغازات والمعادن مع زيادة درجة الحرارة ، وتنخفض الموصلية الحرارية للسوائل. نحن نواجه باستمرار الحمل الحراري ، سواء قمنا بتقليب الحساء أو الشاي بالملعقة ، أو فتح النافذة ، أو تشغيل التهوية لتهوية المطبخ.

الحمل الحراري - من اللاتينية (التحويل) - نوع من نقل الحرارة عندما يتم نقل الطاقة الداخلية للغاز أو السائل عن طريق النفاثات والجداول. يميز بين الحمل الطبيعي والإكراه. في الحالة الأولى ، يتم خلط طبقات من السائل أو الهواء عند تسخينها أو تبريدها. وفي الحالة الثانية ، يوجد خلط ميكانيكي لسائل أو غاز - بملعقة أو مروحة أو بطريقة أخرى.

8. الإشعاع الكهرومغناطيسي

يطلق على فرن الميكروويف أحيانًا فرن الميكروويف أو فرن الميكروويف. العنصر الرئيسي في كل فرن ميكروويف هو المغنطرون ، الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى إشعاع كهرومغناطيسي بالميكروويف بتردد يصل إلى 2.45 جيجاهيرتز (جيجاهرتز). يعمل الإشعاع على تسخين الطعام من خلال التفاعل مع جزيئاته.

تحتوي المنتجات على جزيئات ثنائية القطب تحتوي على شحنات كهربائية موجبة وشحنات سالبة على أجزائها المقابلة.

هذه جزيئات من الدهون والسكر ، ولكن معظم جزيئات ثنائي القطب موجودة في الماء ، والتي توجد في أي منتج تقريبًا. إن مجال الميكروويف ، الذي يغير اتجاهه باستمرار ، يجعل الجزيئات تهتز بتردد عالٍ ، والتي تصطف على طول خطوط القوة بحيث "تبدو" جميع الأجزاء المشحونة الموجبة من الجزيئات في اتجاه واحد أو آخر. ينشأ الاحتكاك الجزيئي ، وتنطلق الطاقة ، مما يؤدي إلى تسخين الطعام.

9. الاستقراء

في المطبخ ، يمكنك العثور بشكل متزايد على مواقد التعريفي ، والتي تعتمد على هذه الظاهرة.اكتشف الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي في عام 1831 ومنذ ذلك الحين أصبح من المستحيل تخيل حياتنا بدونه.

اكتشف فاراداي حدوث تيار كهربائي في حلقة مغلقة بسبب تغير في التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر هذه الحلقة. تُعرف التجربة المدرسية عندما يتحرك مغناطيس مسطح داخل دائرة على شكل حلزوني لسلك (ملف لولبي) ، ويظهر تيار كهربائي فيه. هناك أيضًا عملية عكسية - تيار كهربائي متناوب في ملف لولبي (ملف) يخلق مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا.

يعمل طباخ الحث الحديث على نفس المبدأ. تحت لوحة تسخين زجاجية خزفية (محايدة إلى تذبذبات كهرومغناطيسية) لمثل هذا الموقد ، يوجد ملف تحريض يتدفق من خلاله تيار كهربائي بتردد 20-60 كيلو هرتز ، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا يحفز تيارات إيدي في طبقة رقيقة (طبقة الجلد) من قاع طبق معدني.

تعمل المقاومة الكهربائية على تسخين الأطباق. هذه التيارات ليست أكثر خطورة من الأطباق الساخنة الحمراء على المواقد العادية. يجب أن تكون أواني الطهي من الصلب أو الحديد الزهر ذات الخصائص المغناطيسية (تجذب المغناطيس).

10. انكسار الضوء

زاوية وقوع الضوء تساوي زاوية الانعكاس ، وانتشار الضوء الطبيعي أو الضوء من المصابيح يُفسَّر بطابع ثنائي الموجة الجسيمية: من ناحية ، هذه هي الموجات الكهرومغناطيسية ، ومن ناحية أخرى ، الجسيمات - الفوتونات ، والتي تتحرك بأقصى سرعة ممكنة في الكون.

في المطبخ ، يمكنك ملاحظة ظاهرة بصرية مثل انكسار الضوء. على سبيل المثال ، عندما يكون هناك مزهرية شفافة بها أزهار على طاولة المطبخ ، يبدو أن السيقان في الماء تتحرك عند حدود سطح الماء بالنسبة إلى استمرارها خارج السائل. الحقيقة هي أن الماء ، مثل العدسة ، يكسر أشعة الضوء المنعكسة من السيقان في المزهرية.

لوحظ شيء مماثل في كوب شاي شفاف ، حيث تُغمس الملعقة. يمكنك أيضًا رؤية صورة مشوهة ومكبرة للفاصوليا أو الحبوب في قاع إناء عميق به ماء صافٍ.