אנו לומדים פיזיקה ומלמדים ילדים מבלי לצאת מהמטבח

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

אנחנו מבלים 1-2 שעות במטבח כל יום. מישהו פחות, מישהו יותר. עם זאת, אנו כמעט ולא חושבים על תופעות פיזיות כאשר אנו מבשלים ארוחת בוקר, צהריים או ערב. אבל לא יכול להיות ריכוז גדול יותר שלהם בתנאים יומיומיים מאשר במטבח, בדירה. הזדמנות טובה להסביר פיסיקה לילדים!

1. דיפוזיה

אנחנו מתמודדים כל הזמן עם תופעה זו במטבח. שמו נגזר מהלטינית diffusio - אינטראקציה, פיזור, הפצה.

זהו תהליך של חדירה הדדית של מולקולות או אטומים של שני חומרים צמודים. קצב הדיפוזיה הוא פרופורציונלי לשטח החתך של הגוף (נפח), ולהבדל בריכוזים, בטמפרטורות של החומרים המעורבים. אם יש הבדל טמפרטורה, אז זה קובע את כיוון ההתפשטות (שיפוע) - מחם לקר. כתוצאה מכך, מתרחשת יישור ספונטני של ריכוזי מולקולות או אטומים.

ניתן להבחין בתופעה זו במטבח כאשר ריחות מתפשטים. הודות לפיזור של גזים, יושב בחדר אחר, אתה יכול להבין מה זה בישול. כידוע, הגז הטבעי הוא חסר ריח ומוסיפים לו תוסף כדי להקל על גילוי דליפת הגז הביתי.

חומר ריח כמו אתיל מרקפטן מוסיף ריח חריף. אם המבער לא נדלק בפעם הראשונה, אז נוכל להריח ריח ספציפי, המוכר לנו מילדות כריח של גז ביתי.

ואם זורקים גרגירי תה או שקית תה למים רותחים ולא מערבבים, אפשר לראות איך חליטת התה מתפשטת בנפח המים הטהורים.

זהו דיפוזיה של נוזלים. דוגמה של דיפוזיה במוצק תהיה המלחה של עגבנייה, מלפפון, פטריות או כרוב. גבישי מלח במים מתפרקים ליוני Na ו-Cl, אשר נעים בצורה כאוטי, חודרים בין מולקולות החומרים בהרכב הירקות או הפטריות.

2. שינוי מצב צבירה

מעטים מאיתנו שמו לב שבכוס מים שמאלה, לאחר מספר ימים, אותו חלק של המים מתאדה בטמפרטורת החדר כמו בהרתחה של 1-2 דקות. וכשאנחנו מקפיאים מזון או מים לקוביות קרח במקרר, אנחנו לא חושבים על איך זה קורה.

בינתיים, ניתן להסביר בקלות את תופעות המטבח הנפוצות והנפוצות ביותר. לנוזל יש מצב ביניים בין מוצקים לגזים.

בטמפרטורות שאינן רתיחה או הקפאה, כוחות המשיכה בין מולקולות בנוזל אינם חזקים או חלשים כמו במוצקים וגזים. לכן, למשל, רק מקבלות אנרגיה (מקרני השמש, מולקולות אוויר בטמפרטורת החדר), מולקולות הנוזל מהמשטח הפתוח עוברות בהדרגה לשלב הגז, ויוצרות לחץ אדים מעל פני הנוזל.

קצב האידוי עולה עם עלייה בשטח הפנים של הנוזל, עלייה בטמפרטורה וירידה בלחץ החיצוני. אם הטמפרטורה מוגברת, אז לחץ האדים של הנוזל הזה מגיע ללחץ החיצוני. הטמפרטורה שבה זה מתרחש נקראת נקודת הרתיחה. נקודת הרתיחה יורדת עם ירידה בלחץ החיצוני. לכן, באזורים הרריים, המים רותחים מהר יותר.

לעומת זאת, כאשר הטמפרטורה יורדת, מולקולות המים מאבדות את האנרגיה הקינטית שלהן לרמה של כוחות המשיכה ביניהן. הם כבר לא נעים בצורה כאוטי, מה שמאפשר היווצרות של סריג קריסטל כמו זה של מוצקים. הטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס שבה זה מתרחש נקראת נקודת הקיפאון של המים.

כשהם קפואים, המים מתרחבים.אנשים רבים יכלו להכיר את התופעה הזו כשהם הכניסו למקפיא בקבוק פלסטיק עם משקה לצינון מהיר ושכחו מזה ואז הבקבוק התפוצץ. כאשר מתקררים לטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס, נצפית תחילה עלייה בצפיפות המים, שבה מגיעים לצפיפות המקסימלית והנפח המינימלי שלהם. לאחר מכן, בטמפרטורות שבין 4 ל-0 מעלות צלזיוס, מתרחש סידור מחדש של קשרים במולקולת המים, והמבנה שלה הופך פחות צפוף.

בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס, השלב הנוזלי של המים משתנה למוצק. לאחר שהמים קופאים לחלוטין והופכים לקרח, נפחם גדל ב-8, 4%, מה שמוביל להתפוצצות בקבוק הפלסטיק. תכולת הנוזלים במוצרים רבים נמוכה, כך שהם אינם גדלים בנפחם בצורה כל כך בולטת בהקפאה.

3. ספיגה וספיחה

שתי התופעות הכמעט בלתי נפרדות אלו, הנקראות מלטינית sorbeo (לספוג), נצפות, למשל, כאשר מחממים מים בקומקום או בסיר. גז שאינו פועל כימית על נוזל יכול בכל זאת להיספג בו במגע איתו. תופעה זו נקראת ספיגה.

כאשר גזים נספגים בגופים מוצקים עם גרגירים עדינים או נקבוביים, רובם מצטברים בצפיפות ונשמרים על פני הנקבוביות או הגרגרים ואינם מופצים בכל הנפח. במקרה זה, התהליך נקרא ספיחה. ניתן להבחין בתופעות אלו בעת הרתיחה של מים - בועות נפרדות מדפנות סיר או קומקום בעת חימום.

האוויר המשתחרר מהמים מכיל 63% חנקן ו-36% חמצן. באופן כללי, אוויר אטמוספרי מכיל 78% חנקן ו-21% חמצן.

מלח שולחני במיכל לא מכוסה עלול להירטב בשל תכונותיו ההיגרוסקופיות - ספיגת אדי מים מהאוויר. וסודה לשתייה פועלת כסופח כאשר היא מונחת במקרר כדי להסיר ריחות.

4. ביטוי של חוק ארכימדס

כשאנחנו מוכנים לבשל את העוף, נמלא את הסיר במים בערך חצי או ¾, תלוי בגודל העוף. על ידי טבילת הפגר בסיר מים, אנו מבחינים כי משקל העוף במים מצטמצם בצורה ניכרת, והמים עולים לשולי הסיר.

תופעה זו מוסברת על ידי כוח הציפה או חוק ארכימדס. במקרה זה, כוח ציפה פועל על גוף השקוע בנוזל, השווה למשקל הנוזל בנפח החלק השקוע בגוף. כוח זה נקרא כוחו של ארכימדס, וכך גם החוק עצמו, המסביר את התופעה הזו.

5. מתח פני השטח

אנשים רבים זוכרים את הניסויים בסרטי נוזלים, שהוצגו בשיעורי פיזיקה בבית הספר. מסגרת תיל קטנה עם צד אחד שניתן להזיז נטבלה במי סבון ולאחר מכן נשלפה החוצה. כוחות מתח הפנים בסרט שנוצר לאורך ההיקף הרימו את החלק הנייד התחתון של המסגרת. כדי לשמור אותו ללא תנועה, הושעה ממנו משקל כאשר הניסוי חזר על עצמו.

ניתן להבחין בתופעה זו במסננת – לאחר השימוש נותרים מים בחורים בתחתית כלי המטבח הללו. ניתן להבחין באותה תופעה לאחר שטיפת המזלגות – ישנם גם פסי מים על המשטח הפנימי בין חלק מהשיניים.

הפיזיקה של נוזלים מסבירה תופעה זו כך: מולקולות נוזלים כל כך קרובות זו לזו עד שכוחות המשיכה ביניהן יוצרים מתח פנים במישור המשטח החופשי. אם כוח המשיכה של מולקולות המים של סרט הנוזל חלש יותר מכוח המשיכה אל פני המסננת, אזי שכבת המים נשברת.

כמו כן, כוחות מתח הפנים מורגשים כאשר אנו מוזגים דגנים או אפונה, שעועית לסיר עם מים, או מוסיפים גרגירים עגולים של פלפל. חלק מהגרגרים יישארו על פני המים, בעוד שרובם ישקעו לקרקעית תחת משקל השאר. אם תלחצו קלות על הגרגירים הצפים עם קצה האצבע או כף, הם יתגברו על מתח הפנים של המים וישקעו לתחתית.

6. הרטבה ופיזור

נוזל שנשפך עלול ליצור כתמים קטנים על תנור מצופה שומן, ושלולית אחת על השולחן.העניין הוא שמולקולות הנוזל במקרה הראשון נמשכות יותר זו לזו מאשר לפני השטח של הצלחת, שם יש סרט שומני שלא נרטב במים, ועל שולחן נקי המשיכה של מולקולות מים למולקולות של פני השולחן גבוהים מהמשיכה של מולקולות מים זו לזו. כתוצאה מכך, השלולית מתפשטת.

תופעה זו קשורה גם לפיזיקה של נוזלים וקשורה למתח פני השטח. כידוע, לבועת סבון או לטיפות נוזל יש צורה כדורית עקב כוחות מתח פני השטח.

בטיפה, מולקולות נוזל נמשכות זו לזו בצורה חזקה יותר מאשר למולקולות גז, ונוטות לחלק הפנימי של טיפת הנוזל, ומקטינות את שטח הפנים שלה. אבל, אם יש משטח רטוב מוצק, אז חלק מהטיפה במגע נמתח לאורכו, מכיוון שהמולקולות של המוצק מושכות את מולקולות הנוזל, והכוח הזה עולה על כוח המשיכה בין מולקולות הנוזל..

מידת ההרטבה וההתפשטות על פני משטח מוצק תהיה תלויה באיזה כוח גדול יותר - כוח המשיכה של מולקולות של נוזל ומולקולות של מוצק ביניהן או כוח המשיכה של מולקולות בתוך נוזל.

מאז 1938, תופעה פיזיקלית זו נמצאת בשימוש נרחב בתעשייה, בייצור מוצרי בית, כאשר חומר טפלון (פוליטטראפלואורואתילן) סונתז במעבדת דופונט.

תכונותיו משמשות לא רק בייצור כלי בישול שאינם נדבקים, אלא גם בייצור של בדים וציפויים עמידים למים ודוחי מים לבגדים ונעליים. טפלון מוכר על ידי ספר השיאים של גינס כחומר החלקלק ביותר בעולם. יש לו מתח פנים והידבקות נמוכים מאוד (הידבקות), הוא אינו נרטב במים, בשומן או בממיסים אורגניים רבים.

7. מוליכות תרמית

אחת התופעות הנפוצות ביותר במטבח שאנו יכולים להבחין בהן היא חימום של קומקום או מים בסיר. מוליכות תרמית היא העברת חום באמצעות תנועת חלקיקים כאשר יש הבדל (שיפוע) בטמפרטורה. בין סוגי המוליכות התרמית, יש גם הסעה.

במקרה של חומרים זהים, המוליכות התרמית של נוזלים קטנה מזו של מוצקים, וגבוהה מזו של גזים. המוליכות התרמית של גזים ומתכות עולה עם עליית הטמפרטורה, וזו של נוזלים פוחתת. אנחנו מתמודדים כל הזמן עם הסעה, בין אם אנחנו מערבבים מרק או תה עם כפית, או פותחים חלון, או מפעילים את האוורור כדי לאוורר את המטבח.

הסעה - מלטינית convectiō (העברה) - סוג של העברת חום כאשר האנרגיה הפנימית של גז או נוזל מועברת על ידי סילונים וזרמים. הבחנה בין הסעה טבעית לבין מאולצת. במקרה הראשון, שכבות של נוזל או אוויר מתערבבות בעצמן בעת חימום או קירור. ובמקרה השני, יש ערבוב מכני של נוזל או גז - עם כף, מאוורר או בדרך אחרת.

8. קרינה אלקטרומגנטית

תנור מיקרוגל נקרא לפעמים תנור מיקרוגל, או תנור מיקרוגל. המרכיב העיקרי של כל תנור מיקרוגל הוא מגנטרון, הממיר אנרגיה חשמלית לקרינה אלקטרומגנטית מיקרוגל בתדר של עד 2.45 גיגה-הרץ (GHz). קרינה מחממת מזון על ידי אינטראקציה עם המולקולות שלו.

המוצרים מכילים מולקולות דיפול המכילות מטענים חשמליים ושליליים חיוביים בחלקים הנגדיים שלהם.

אלו מולקולות של שומנים, סוכר, אבל יותר מכל מולקולות דיפול נמצאות במים, שנמצאים כמעט בכל מוצר. שדה המיקרוגל, המשנה כל הזמן את כיוונו, גורם למולקולות לרטוט בתדירות גבוהה, המתיישרות לאורך קווי הכוח כך שכל החלקים הטעונים חיוביים של המולקולות "נראים" לכיוון זה או אחר. נוצר חיכוך מולקולרי, משתחררת אנרגיה שמחממת את המזון.

9. אינדוקציה

במטבח ניתן למצוא יותר ויותר כיריים אינדוקציה, המבוססות על תופעה זו.הפיזיקאי האנגלי מייקל פאראדיי גילה אינדוקציה אלקטרומגנטית בשנת 1831 ומאז אי אפשר לדמיין את חיינו בלעדיה.

פאראדיי גילה התרחשות של זרם חשמלי בלולאה סגורה עקב שינוי בשטף המגנטי העובר בלולאה זו. חוויה בבית ספר ידועה כאשר מגנט שטוח נע בתוך מעגל בצורת ספירלה של חוט (סולנואיד), ומופיע בו זרם חשמלי. ישנו גם תהליך הפוך - זרם חשמלי לסירוגין בסולנואיד (סליל) יוצר שדה מגנטי לסירוגין.

סיר אינדוקציה מודרני עובד על אותו עיקרון. מתחת ללוח חימום זכוכית קרמי (תנודות ניטרליות לאלקטרומגנטיות) של תנור כזה יש סליל אינדוקציה שדרכו זורם זרם חשמלי בתדר של 20-60 קילו-הרץ, היוצר שדה מגנטי לסירוגין הגורם לזרמי מערבולת בשכבה דקה. (שכבת עור) של תחתית כלי מתכת.

ההתנגדות החשמלית מחממת את הכלים. זרמים אלה אינם מסוכנים יותר מכלים אדומים לוהטים על כיריים רגילות. כלי בישול צריכים להיות פלדה או ברזל יצוק עם תכונות פרומגנטיות (משוך מגנט).

10. שבירה של אור

זווית כניסתו של האור שווה לזווית ההשתקפות, והתפשטות האור הטבעי או האור מנורות מוסבר באופי כפול, גל-חלקיקי: מצד אחד, אלו הם גלים אלקטרומגנטיים, ומצד שני, חלקיקים-פוטונים, הנעים במהירות המרבית האפשרית ביקום.

במטבח, אתה יכול לצפות בתופעה אופטית כמו שבירת האור. לדוגמה, כאשר יש אגרטל שקוף עם פרחים על שולחן המטבח, נראה שהגבעולים במים זזים בגבול פני המים ביחס להמשכם מחוץ לנוזל. העובדה היא שמים, כמו עדשה, שוברים את קרני האור המוחזרות מהגבעולים באגרטל.

דבר דומה נצפה בכוס תה שקופה, שבה טובלים כפית. ניתן גם לראות תמונה מעוותת ומוגדלת של שעועית או דגנים בתחתית סיר עמוק של מים צלולים.