เราเรียนฟิสิกส์และสอนเด็กๆ โดยไม่ต้องออกจากครัว

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

เราใช้เวลา 1-2 ชั่วโมงในครัวทุกวัน บางคนน้อยกว่าคนอื่นมากขึ้น ดังที่กล่าวไว้ เราไม่ค่อยนึกถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพเมื่อเราทำอาหารเช้า กลางวัน หรือเย็น แต่ในสภาพวันธรรมดาจะไม่มีสมาธิมากไปกว่าในห้องครัวในอพาร์ตเมนต์ โอกาสที่ดีในการอธิบายฟิสิกส์ให้เด็ก ๆ ฟัง!

1. การแพร่กระจาย

เรากำลังเผชิญกับปรากฏการณ์นี้ในครัวอยู่เสมอ ชื่อของมันมาจากภาษาละติน diffusio - ปฏิสัมพันธ์, การกระจาย, การกระจาย

นี่คือกระบวนการของการแทรกซึมร่วมกันของโมเลกุลหรืออะตอมของสารสองชนิดที่อยู่ติดกัน อัตราการแพร่กระจายเป็นสัดส่วนกับพื้นที่หน้าตัดของร่างกาย (ปริมาตร) และความแตกต่างของความเข้มข้น อุณหภูมิของสารผสม หากมีความแตกต่างของอุณหภูมิก็จะกำหนดทิศทางการแพร่กระจาย (ไล่ระดับ) - จากร้อนไปเย็น เป็นผลให้การจัดตำแหน่งความเข้มข้นของโมเลกุลหรืออะตอมเกิดขึ้นเอง

ปรากฏการณ์นี้สามารถสังเกตได้ในห้องครัวเมื่อกลิ่นกระจาย ต้องขอบคุณการแพร่กระจายของก๊าซเมื่อนั่งอยู่อีกห้องหนึ่ง คุณจึงเข้าใจได้ว่ากำลังทำอาหารอะไรอยู่ ดังที่คุณทราบ ก๊าซธรรมชาติไม่มีกลิ่นและมีการเติมสารเติมแต่งเข้าไปเพื่อให้ตรวจจับการรั่วไหลของก๊าซในบ้านได้ง่ายขึ้น

สารระงับกลิ่นกาย เช่น เอทิล เมอร์แคปแทน จะเพิ่มกลิ่นฉุน ถ้าครั้งแรกที่เตาไม่ติดไฟ เราก็จะได้กลิ่นเฉพาะที่เรารู้จักตั้งแต่เด็กๆ ว่าเป็นกลิ่นของก๊าซในครัวเรือน

และถ้าคุณโยนเมล็ดชาหรือถุงชาลงในน้ำเดือดและอย่าคน คุณจะเห็นได้ว่าการชงชานั้นแพร่กระจายไปในปริมาณน้ำบริสุทธิ์ได้อย่างไร

นี่คือการแพร่กระจายของของเหลว ตัวอย่างของการแพร่กระจายในของแข็งจะเป็นเกลือของมะเขือเทศ แตงกวา เห็ด หรือกะหล่ำปลี ผลึกเกลือในน้ำแตกตัวเป็นไอออน Na และ Cl ซึ่งเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายแทรกซึมระหว่างโมเลกุลของสารในองค์ประกอบของผักหรือเห็ด

2. การเปลี่ยนแปลงสถานะการรวมตัว

มีพวกเราไม่กี่คนสังเกตเห็นว่าในแก้วน้ำด้านซ้าย หลังจากผ่านไปสองสามวัน น้ำส่วนเดียวกันจะระเหยไปที่อุณหภูมิห้องเหมือนกับตอนเดือด 1-2 นาที และเมื่อเราแช่แข็งอาหารหรือน้ำสำหรับก้อนน้ำแข็งในตู้เย็น เราไม่ได้คิดว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร

ในขณะเดียวกันปรากฏการณ์ในครัวที่พบบ่อยที่สุดเหล่านี้สามารถอธิบายได้ง่าย ของเหลวมีสถานะเป็นกลางระหว่างของแข็งและก๊าซ

ที่อุณหภูมิอื่นนอกเหนือจากการเดือดหรือการแช่แข็ง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลในของเหลวจะไม่แรงหรืออ่อนเท่าในของแข็งและก๊าซ ตัวอย่างเช่น การรับพลังงานเพียงอย่างเดียว (จากรังสีดวงอาทิตย์ โมเลกุลของอากาศที่อุณหภูมิห้อง) โมเลกุลของของเหลวจากพื้นผิวเปิดจะค่อยๆ ผ่านเข้าสู่เฟสของแก๊ส ทำให้เกิดแรงดันไอเหนือพื้นผิวของเหลว

อัตราการระเหยเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวของของเหลว อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และความดันภายนอกลดลง หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นความดันไอของของเหลวนี้จะถึงความดันภายนอก อุณหภูมิที่สิ่งนี้เกิดขึ้นเรียกว่าจุดเดือด จุดเดือดจะลดลงเมื่อแรงดันภายนอกลดลง ดังนั้นในพื้นที่ภูเขาน้ำจะเดือดเร็วขึ้น

ในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิลดลง โมเลกุลของน้ำจะสูญเสียพลังงานจลน์ไปสู่ระดับแรงดึงดูดระหว่างตัวมันเอง พวกมันไม่เคลื่อนไหวอย่างวุ่นวายอีกต่อไป ซึ่งช่วยให้เกิดโครงผลึกเหมือนของของแข็ง อุณหภูมิ 0 ° C ที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำ

เมื่อแช่แข็งน้ำจะขยายตัวหลายคนอาจคุ้นเคยกับปรากฏการณ์นี้เมื่อใส่ขวดพลาสติกพร้อมเครื่องดื่มในช่องแช่แข็งเพื่อให้เย็นลงอย่างรวดเร็วและลืมไปว่าขวดนั้นแตก เมื่อเย็นลงที่อุณหภูมิ 4 ° C จะสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของน้ำเป็นครั้งแรกซึ่งมีความหนาแน่นสูงสุดและปริมาตรต่ำสุด จากนั้นที่อุณหภูมิตั้งแต่ 4 ถึง 0 ° C จะเกิดการจัดเรียงใหม่ของพันธะในโมเลกุลของน้ำและโครงสร้างของมันจะหนาแน่นน้อยลง

ที่อุณหภูมิ 0 ° C เฟสของเหลวของน้ำจะเปลี่ยนเป็นของแข็ง หลังจากที่น้ำแข็งตัวจนหมดและกลายเป็นน้ำแข็ง ปริมาณของมันจะเพิ่มขึ้น 8, 4% ซึ่งนำไปสู่การระเบิดของขวดพลาสติก ปริมาณของเหลวในผลิตภัณฑ์จำนวนมากมีน้อย จึงไม่เพิ่มปริมาตรอย่างเห็นได้ชัดเมื่อแช่แข็ง

3. การดูดซึมและการดูดซับ

ปรากฏการณ์ที่แยกกันแทบไม่ออกทั้งสองนี้ เรียกจากภาษาละติน sorbeo (ดูดซับ) ตัวอย่างเช่น เมื่อทำน้ำร้อนในกาต้มน้ำหรือกระทะ ก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับของเหลวสามารถดูดซับได้เมื่อสัมผัสกับของเหลว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการดูดซึม

เมื่อก๊าซถูกดูดซับโดยวัตถุที่มีเนื้อละเอียดหรือมีรูพรุนที่เป็นของแข็ง ก๊าซส่วนใหญ่จะสะสมอย่างหนาแน่นและถูกกักไว้บนผิวของรูพรุนหรือเมล็ดพืช และไม่กระจายไปทั่วปริมาตร ในกรณีนี้เรียกว่ากระบวนการดูดซับ ปรากฏการณ์เหล่านี้สามารถสังเกตได้เมื่อน้ำเดือด - ฟองอากาศแยกจากผนังหม้อหรือกาต้มน้ำเมื่อถูกความร้อน

อากาศที่ปล่อยออกมาจากน้ำประกอบด้วยไนโตรเจน 63% และออกซิเจน 36% โดยทั่วไป อากาศในบรรยากาศประกอบด้วยไนโตรเจน 78% และออกซิเจน 21%

เกลือแกงในภาชนะที่ปิดสนิทอาจเปียกได้เนื่องจากคุณสมบัติดูดความชื้น - การดูดซับไอน้ำจากอากาศ และเบกกิ้งโซดาทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับเมื่อวางในตู้เย็นเพื่อขจัดกลิ่นไม่พึงประสงค์

4. การสำแดงกฎของอาร์คิมิดีส

เมื่อเราพร้อมที่จะปรุงไก่ ให้เติมน้ำลงในหม้อประมาณครึ่งหรือ ¾ แล้วแต่ขนาดของไก่ การแช่ซากสัตว์ในหม้อน้ำจะสังเกตเห็นว่าน้ำหนักของไก่ในน้ำลดลงอย่างเห็นได้ชัด และน้ำก็ลอยขึ้นมาถึงขอบหม้อ

ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้จากแรงลอยตัวหรือกฎของอาร์คิมิดีส ในกรณีนี้ แรงลอยตัวกระทำต่อร่างกายที่แช่อยู่ในของเหลว เท่ากับน้ำหนักของของเหลวในปริมาตรของส่วนที่จมอยู่ใต้น้ำของร่างกาย แรงนี้เรียกว่าแรงของอาร์คิมิดีส เช่นเดียวกับกฎเอง ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์นี้

5. แรงตึงผิว

หลายคนจำการทดลองกับฟิล์มของเหลวซึ่งแสดงในบทเรียนฟิสิกส์ที่โรงเรียน โครงลวดขนาดเล็กที่มีด้านที่เคลื่อนที่ได้ด้านหนึ่งจุ่มลงในน้ำสบู่แล้วดึงออกมา แรงตึงผิวในฟิล์มที่เกิดขึ้นตามแนวเส้นรอบวงได้ยกส่วนล่างที่เคลื่อนที่ได้ของเฟรมขึ้น เพื่อให้มันนิ่ง น้ำหนักจึงถูกระงับไว้เมื่อทำการทดลองซ้ำ

ปรากฏการณ์นี้สามารถสังเกตได้ในกระชอน - หลังการใช้งาน น้ำยังคงอยู่ในรูที่ด้านล่างของเครื่องครัวเหล่านี้ ปรากฏการณ์เดียวกันนี้สามารถสังเกตได้หลังจากล้างส้อม - นอกจากนี้ยังมีริ้วน้ำบนพื้นผิวด้านในระหว่างฟันบางซี่

ฟิสิกส์ของของเหลวอธิบายปรากฏการณ์นี้ดังนี้: โมเลกุลของของเหลวอยู่ใกล้กันมากจนแรงดึงดูดระหว่างพวกมันสร้างแรงตึงผิวในระนาบของพื้นผิวอิสระ หากแรงดึงดูดของโมเลกุลน้ำของฟิล์มเหลวอ่อนกว่าแรงดึงดูดที่พื้นผิวของกระชอน ฟิล์มน้ำจะแตกออก

นอกจากนี้ แรงตึงผิวยังสังเกตเห็นได้ชัดเจนเมื่อเราเทซีเรียลหรือถั่ว ถั่วลงในกระทะด้วยน้ำ หรือเติมเม็ดพริกไทยเม็ดกลม เมล็ดธัญพืชบางชนิดจะยังคงอยู่บนผิวน้ำ ในขณะที่ส่วนใหญ่จะจมอยู่ใต้น้ำหนักของเมล็ดที่เหลือ หากคุณกดเบา ๆ บนเมล็ดธัญพืชที่ลอยอยู่ด้วยปลายนิ้วหรือช้อน เมล็ดพืชจะเอาชนะแรงตึงผิวของน้ำและจมลงสู่ก้นบึ้ง

6. เปียกและกระจาย

ของเหลวที่หกอาจเกิดคราบเล็กๆ บนเตาที่เคลือบด้วยไขมัน และเกิดเป็นแอ่งน้ำหนึ่งตัวอยู่บนโต๊ะประเด็นคือโมเลกุลของเหลวในกรณีแรกจะดึงดูดซึ่งกันและกันมากกว่าพื้นผิวของจานซึ่งมีฟิล์มไขมันที่ไม่เปียกน้ำและบนโต๊ะที่สะอาดดึงดูดโมเลกุลของน้ำไปยังโมเลกุลของ พื้นผิวโต๊ะสูงกว่าแรงดึงดูดของโมเลกุลน้ำต่อกัน เป็นผลให้แอ่งน้ำกระจาย

ปรากฏการณ์นี้ยังเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ของของเหลวและเกี่ยวข้องกับแรงตึงผิว ดังที่คุณทราบ ฟองสบู่หรือหยดของเหลวมีรูปร่างเป็นทรงกลมเนื่องจากแรงตึงผิว

ในหยดละออง โมเลกุลของเหลวจะถูกดึงดูดเข้าหากันอย่างแรงกว่าโมเลกุลของแก๊ส และมีแนวโน้มที่จะเข้าไปด้านในของหยดของเหลว ซึ่งลดพื้นที่ผิวของมัน แต่ถ้ามีพื้นผิวที่เปียกเป็นของแข็ง ส่วนหนึ่งของหยดเมื่อสัมผัสจะถูกยืดไปตามนั้น เนื่องจากโมเลกุลของของแข็งดึงดูดโมเลกุลของของเหลว และแรงนี้เกินแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลว.

ระดับของการทำให้เปียกและการแพร่กระจายบนพื้นผิวที่เป็นของแข็งจะขึ้นอยู่กับแรงที่มากกว่า - แรงดึงดูดของโมเลกุลของของเหลวและโมเลกุลของของแข็งระหว่างตัวมันเองหรือแรงดึงดูดของโมเลกุลภายในของเหลว

ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2481 ปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม ในการผลิตสินค้าในครัวเรือน เมื่อวัสดุเทฟลอน (polytetrafluoroethylene) ถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการของดูปองท์

คุณสมบัติของมันถูกใช้ไม่เพียง แต่ในการผลิตเครื่องครัวที่ไม่ติด แต่ยังในการผลิตผ้ากันน้ำกันน้ำและเคลือบสำหรับเสื้อผ้าและรองเท้า เทฟลอนได้รับการยอมรับจาก Guinness Book of Records ว่าเป็นสารที่ลื่นที่สุดในโลก มีแรงตึงผิวและการยึดเกาะต่ำมาก (เกาะติด) ไม่เปียกน้ำ จารบี หรือตัวทำละลายอินทรีย์หลายชนิด

7. การนำความร้อน

ปรากฏการณ์ทั่วไปอย่างหนึ่งในครัวที่เราสังเกตได้คือการให้ความร้อนจากกาต้มน้ำหรือน้ำในกระทะ การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของอนุภาคเมื่ออุณหภูมิมีความแตกต่าง (การไล่ระดับสี) ในบรรดาประเภทของการนำความร้อนยังมีการพาความร้อนอีกด้วย

ในกรณีของสารที่เหมือนกัน ค่าการนำความร้อนของของเหลวจะน้อยกว่าของที่เป็นของแข็ง และสูงกว่าของก๊าซ ค่าการนำความร้อนของก๊าซและโลหะจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และค่าของของเหลวจะลดลง เราต้องเผชิญกับการหมุนเวียนอยู่ตลอดเวลา ไม่ว่าเราจะกวนซุปหรือชาด้วยช้อน หรือเปิดหน้าต่าง หรือเปิดการระบายอากาศเพื่อระบายอากาศในห้องครัว

การพาความร้อน - จากภาษาละติน convectiō (การถ่ายโอน) - การถ่ายเทความร้อนประเภทหนึ่งเมื่อพลังงานภายในของก๊าซหรือของเหลวถูกถ่ายเทโดยไอพ่นและลำธาร แยกความแตกต่างระหว่างการพาความร้อนตามธรรมชาติและการบังคับ ในกรณีแรก ชั้นของของเหลวหรืออากาศจะผสมกันเมื่อถูกความร้อนหรือเย็น และในกรณีที่สอง มีการผสมของเหลวหรือแก๊สโดยใช้ช้อน พัดลม หรือวิธีอื่น

8. รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

เตาอบไมโครเวฟบางครั้งเรียกว่าเตาอบไมโครเวฟหรือเตาอบไมโครเวฟ องค์ประกอบหลักของเตาไมโครเวฟทุกเครื่องคือ แมกนีตรอน ซึ่งแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไมโครเวฟที่มีความถี่สูงถึง 2.45 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) การแผ่รังสีทำให้อาหารร้อนขึ้นโดยทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของอาหาร

ผลิตภัณฑ์ประกอบด้วยโมเลกุลไดโพลที่มีประจุไฟฟ้าบวกและประจุลบที่ส่วนตรงข้ามกัน

เหล่านี้คือโมเลกุลของไขมัน น้ำตาล แต่โมเลกุลไดโพลทั้งหมดส่วนใหญ่อยู่ในน้ำ ซึ่งพบได้ในผลิตภัณฑ์เกือบทุกชนิด สนามไมโครเวฟจะเปลี่ยนทิศทางตลอดเวลา ทำให้โมเลกุลสั่นสะเทือนด้วยความถี่สูง ซึ่งเรียงตัวกันตามแนวแรงเพื่อให้ส่วนที่มีประจุบวกทั้งหมดของโมเลกุล "มอง" ไปในทิศทางเดียวหรืออีกทางหนึ่ง เกิดการเสียดสีระดับโมเลกุลพลังงานถูกปล่อยออกมาซึ่งทำให้อาหารร้อนขึ้น

9. การเหนี่ยวนำ

ในห้องครัว คุณสามารถหาเตาแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีพื้นฐานมาจากปรากฏการณ์นี้มากขึ้นเรื่อยๆนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Michael Faraday ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1831 และตั้งแต่นั้นมา ก็เป็นไปไม่ได้เลยที่จะจินตนาการถึงชีวิตของเราหากไม่มีสิ่งนี้

ฟาราเดย์ค้นพบการเกิดขึ้นของกระแสไฟฟ้าในวงปิดเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ไหลผ่านลูปนี้ ประสบการณ์ในโรงเรียนเป็นที่ทราบกันดีว่าแม่เหล็กแบนเคลื่อนที่ภายในวงจรรูปเกลียวของลวด (โซลินอยด์) และมีกระแสไฟฟ้าปรากฏขึ้น นอกจากนี้ยังมีกระบวนการย้อนกลับ - กระแสไฟฟ้าสลับในโซลินอยด์ (ขดลวด) จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ

เตาแม่เหล็กไฟฟ้าสมัยใหม่ทำงานบนหลักการเดียวกัน ภายใต้แผงทำความร้อนแบบแก้วเซรามิก (การสั่นที่เป็นกลางถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ของเตาดังกล่าวจะมีขดลวดเหนี่ยวนำซึ่งกระแสไฟฟ้าไหลด้วยความถี่ 20-60 kHz ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับที่ก่อให้เกิดกระแสน้ำวนในชั้นบาง ๆ (ชั้นผิวหนัง) ของก้นจานโลหะ

ความต้านทานไฟฟ้าทำให้จานร้อนขึ้น กระแสน้ำเหล่านี้ไม่อันตรายไปกว่าอาหารจานร้อนบนเตาธรรมดา เครื่องครัวควรเป็นเหล็กหรือเหล็กหล่อที่มีคุณสมบัติเฟอร์โรแมกเนติก (ดึงดูดแม่เหล็ก)

10. การหักเหของแสง

มุมตกกระทบของแสงเท่ากับมุมสะท้อน และการแพร่กระจายของแสงธรรมชาติหรือแสงจากหลอดไฟอธิบายโดยธรรมชาติของอนุภาคคลื่นแบบคู่: ด้านหนึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และอีกด้านหนึ่ง อนุภาค-โฟตอน ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ในจักรวาล

ในห้องครัว คุณสามารถสังเกตปรากฏการณ์ทางแสง เช่น การหักเหของแสงได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อมีแจกันดอกไม้โปร่งแสงวางอยู่บนโต๊ะในครัว ก้านในน้ำดูเหมือนจะเคลื่อนไปที่ขอบผิวน้ำเมื่อเทียบกับความต่อเนื่องของพวกมันภายนอกของเหลว ความจริงก็คือน้ำเช่นเดียวกับเลนส์ที่หักเหแสงสะท้อนจากลำต้นในแจกัน

พบสิ่งที่คล้ายกันในแก้วชาใสซึ่งจุ่มช้อน คุณยังเห็นภาพถั่วหรือซีเรียลที่บิดเบี้ยวและขยายใหญ่ขึ้นที่ด้านล่างของหม้อน้ำใส