Chúng tôi học vật lý và dạy trẻ em mà không cần rời khỏi bếp

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Chúng tôi dành 1-2 giờ trong bếp mỗi ngày. Ai đó ít hơn, một người nào đó nhiều hơn. Nói như vậy, chúng ta hiếm khi nghĩ về các hiện tượng vật lý khi chúng ta nấu bữa sáng, bữa trưa hoặc bữa tối. Nhưng không thể có sự tập trung của chúng trong điều kiện hàng ngày nhiều hơn trong nhà bếp, trong căn hộ. Một cơ hội tốt để giải thích vật lý cho trẻ em!

1. Sự khuếch tán

Chúng tôi thường xuyên phải đối mặt với hiện tượng này trong nhà bếp. Tên của nó có nguồn gốc từ tiếng Latinh diffusio - tương tác, phân tán, phân phối.

Đây là quá trình xâm nhập lẫn nhau của các phân tử hoặc nguyên tử của hai chất liền kề. Tốc độ khuếch tán tỷ lệ với diện tích mặt cắt ngang của cơ thể (thể tích), và sự khác biệt về nồng độ, nhiệt độ của các chất hỗn hợp. Nếu có sự khác biệt về nhiệt độ, thì nó sẽ đặt hướng lan truyền (gradient) - từ nóng sang lạnh. Kết quả là xảy ra sự liên kết tự phát về nồng độ của các phân tử hoặc nguyên tử.

Hiện tượng này có thể được quan sát thấy trong nhà bếp khi mùi phát tán. Nhờ sự khuếch tán của các chất khí, ngồi trong phòng khác, bạn có thể hiểu được những gì đang nấu. Như các bạn đã biết, gas tự nhiên không mùi và người ta cho thêm chất phụ gia vào để dễ phát hiện rò rỉ gas sinh hoạt.

Chất tạo mùi như ethyl mercaptan có thêm mùi hăng. Nếu đầu đốt không sáng ngay lần đầu tiên, chúng ta có thể ngửi thấy một mùi đặc trưng, mà chúng ta quen thuộc từ thời thơ ấu là mùi của khí đốt gia đình.

Và nếu bạn ném hạt trà hoặc túi trà vào nước sôi và không khuấy, bạn có thể thấy cách truyền trà lan truyền trong thể tích nước tinh khiết.

Đây là sự khuếch tán của chất lỏng. Ví dụ về sự khuếch tán trong chất rắn là muối cà chua, dưa chuột, nấm hoặc bắp cải. Các tinh thể muối trong nước phân hủy thành các ion Na và Cl, chuyển động hỗn loạn, xâm nhập vào giữa các phân tử của các chất trong thành phần của rau hoặc nấm.

2. Thay đổi trạng thái tập hợp

Ít ai trong chúng ta để ý rằng trong một cốc nước bên trái, sau vài ngày, phần nước đó sẽ bốc hơi ở nhiệt độ phòng như khi đun sôi trong 1-2 phút. Và khi chúng tôi đông lạnh thực phẩm hoặc nước để làm đá trong tủ lạnh, chúng tôi không nghĩ về cách điều này xảy ra.

Trong khi đó, những hiện tượng bếp thông thường và phổ biến nhất này lại dễ dàng lý giải. Một chất lỏng có trạng thái trung gian giữa chất rắn và chất khí.

Ở các nhiệt độ khác với nhiệt độ sôi hoặc đông đặc, lực hút giữa các phân tử trong chất lỏng không mạnh hay yếu như trong chất rắn và chất khí. Vì vậy, chẳng hạn, chỉ nhận năng lượng (từ tia sáng mặt trời, các phân tử không khí ở nhiệt độ thường), các phân tử chất lỏng từ mặt thoáng chuyển dần sang pha khí, tạo ra áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng.

Tốc độ bay hơi tăng khi diện tích bề mặt chất lỏng tăng, nhiệt độ tăng và áp suất bên ngoài giảm. Nếu tăng nhiệt độ thì áp suất hơi của chất lỏng này bằng áp suất ngoài. Nhiệt độ tại đó xảy ra được gọi là nhiệt độ sôi. Nhiệt độ sôi giảm khi áp suất bên ngoài giảm. Vì vậy, ở các vùng núi, nước sôi nhanh hơn.

Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, các phân tử nước mất động năng bằng mức lực hút giữa chúng. Chúng không còn chuyển động hỗn loạn nữa, điều này cho phép hình thành một mạng tinh thể giống như mạng của chất rắn. Nhiệt độ 0 ° C tại đó xảy ra được gọi là điểm đóng băng của nước.

Khi đông lạnh, nước nở ra. Nhiều người có thể quen với hiện tượng này khi cho chai nhựa đựng đồ uống vào ngăn đá để làm lạnh nhanh mà quên mất, sau đó chai bị vỡ. Khi làm lạnh đến nhiệt độ 4 ° C, lần đầu tiên quan sát thấy sự gia tăng khối lượng riêng của nước, tại đó khối lượng riêng lớn nhất và khối lượng tối thiểu đạt được. Sau đó, ở nhiệt độ từ 4 đến 0 ° C, sự sắp xếp lại các liên kết trong phân tử nước xảy ra và cấu trúc của nó trở nên kém đặc hơn.

Ở nhiệt độ 0 ° C, pha lỏng của nước chuyển sang thể rắn. Sau khi nước đóng băng hoàn toàn và biến thành nước đá, thể tích của nó tăng thêm 8, 4%, dẫn đến vỡ chai nhựa. Hàm lượng chất lỏng trong nhiều sản phẩm thấp, do đó chúng không tăng thể tích đáng kể khi đông lạnh.

3. Hấp thụ và hấp phụ

Hai hiện tượng gần như không thể tách rời này, được gọi từ tiếng Latinh sorbeo (hấp thụ), được quan sát thấy, ví dụ, khi đun nước trong ấm hoặc xoong. Tuy nhiên, một chất khí không tác dụng hóa học với chất lỏng có thể bị nó hấp thụ khi tiếp xúc với nó. Hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ.

Khi các khí được hấp thụ bởi các thể rắn hoặc hạt xốp, hầu hết chúng tích tụ dày đặc và được giữ lại trên bề mặt của các lỗ rỗng hoặc hạt và không phân bố trong toàn bộ thể tích. Trong trường hợp này, quá trình được gọi là hấp phụ. Có thể quan sát thấy những hiện tượng này khi nước sôi - các bọt khí tách ra khỏi thành xoong, nồi khi đun nóng.

Không khí thoát ra từ nước chứa 63% nitơ và 36% oxy. Nói chung, không khí trong khí quyển chứa 78% nitơ và 21% oxy.

Muối ăn trong hộp không có nắp đậy có thể bị ướt do đặc tính hút ẩm - hấp thụ hơi nước từ không khí. Và baking soda hoạt động như một chất hấp phụ khi đặt trong tủ lạnh để khử mùi hôi.

4. Sự thể hiện của định luật Archimedes

Khi chuẩn bị nấu gà, chúng ta đổ nước vào nồi khoảng một nửa hoặc ¾, tùy thuộc vào kích thước của gà. Khi nhúng phần thịt vào chậu nước, chúng ta nhận thấy khối lượng của con gà trong nước giảm đi rõ rệt, nước dâng lên đến mép chậu.

Hiện tượng này được giải thích bởi lực đẩy hay định luật Archimedes. Trong trường hợp này, một lực nổi tác dụng lên một vật chìm trong chất lỏng, bằng trọng lượng của chất lỏng trong thể tích của phần chìm trong cơ thể. Lực này được gọi là lực Archimedes, cũng như chính định luật giải thích hiện tượng này.

5. Sức căng bề mặt

Nhiều người còn nhớ những thí nghiệm với phim về chất lỏng, được chiếu trong các tiết học vật lý ở trường. Một khung dây nhỏ có một mặt chuyển động được nhúng vào nước xà phòng rồi kéo ra. Lực căng bề mặt trong màng hình thành dọc theo chu vi đã nâng phần chuyển động bên dưới của khung lên. Để giữ cho nó bất động, người ta treo một quả nặng lên nó khi thí nghiệm được lặp lại.

Hiện tượng này có thể được quan sát thấy trong chao - sau khi sử dụng, nước vẫn đọng lại trong các lỗ ở đáy của những dụng cụ nhà bếp này. Hiện tượng tương tự có thể được quan sát thấy sau khi rửa dĩa - cũng có những vệt nước trên bề mặt bên trong giữa một số răng.

Vật lý chất lỏng giải thích hiện tượng này như sau: các phân tử chất lỏng ở gần nhau đến mức lực hút giữa chúng tạo ra sức căng bề mặt trong mặt phẳng của bề mặt tự do. Nếu lực hút các phân tử nước của màng chất lỏng yếu hơn lực hút lên bề mặt chao thì màng nước bị vỡ.

Ngoài ra, lực căng bề mặt cũng có thể nhận thấy khi chúng ta đổ ngũ cốc hoặc đậu Hà Lan, đậu vào nồi với nước, hoặc thêm hạt tiêu tròn. Một số hạt sẽ vẫn còn trên bề mặt nước, trong khi hầu hết sẽ chìm xuống đáy dưới sức nặng của phần còn lại. Nếu bạn dùng đầu ngón tay hoặc thìa ấn nhẹ vào các hạt nổi, chúng sẽ vượt qua sức căng bề mặt của nước và chìm xuống đáy.

6. Làm ướt và lan rộng

Chất lỏng tràn có thể tạo thành các vết bẩn nhỏ trên bếp tráng dầu mỡ và một vũng nước trên bàn. Vấn đề là các phân tử chất lỏng trong trường hợp đầu tiên bị hút vào nhau nhiều hơn so với bề mặt của tấm, nơi có một màng chất béo không bị nước làm ướt, và trên một chiếc bàn sạch thì lực hút của các phân tử nước đối với các phân tử của mặt bàn cao hơn lực hút của các phân tử nước vào nhau. Kết quả là vũng nước lan rộng.

Hiện tượng này cũng liên quan đến vật lý của chất lỏng và liên quan đến sức căng bề mặt. Như bạn đã biết, bong bóng xà phòng hoặc các giọt chất lỏng có dạng hình cầu do lực căng bề mặt tạo ra.

Trong một giọt, các phân tử chất lỏng bị hút vào nhau mạnh hơn so với các phân tử khí, và có xu hướng vào bên trong giọt chất lỏng, làm giảm diện tích bề mặt của nó. Nhưng, nếu có một bề mặt rắn được làm ướt, thì một phần của giọt khi tiếp xúc sẽ bị kéo giãn dọc theo nó, bởi vì các phân tử của chất rắn hút các phân tử của chất lỏng, và lực này vượt quá lực hút giữa các phân tử của chất lỏng..

Mức độ thấm ướt và lan rộng trên bề mặt rắn sẽ phụ thuộc vào lực nào lớn hơn - lực hút các phân tử của chất lỏng và các phân tử của chất rắn giữa chúng hoặc lực hút của các phân tử bên trong chất lỏng.

Kể từ năm 1938, hiện tượng vật lý này đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong sản xuất đồ gia dụng, khi vật liệu Teflon (polytetrafluoroethylene) được tổng hợp trong phòng thí nghiệm DuPont.

Đặc tính của nó không chỉ được sử dụng trong sản xuất dụng cụ nấu ăn chống dính mà còn được sử dụng trong sản xuất các loại vải và lớp phủ chống thấm, chống thấm nước cho quần áo và giày dép. Teflon được sách kỷ lục Guinness công nhận là chất trơn trượt nhất thế giới. Nó có sức căng bề mặt và độ bám dính (dính) rất thấp, nó không bị thấm ướt bởi nước, dầu mỡ hoặc nhiều dung môi hữu cơ.

7. Dẫn nhiệt

Một trong những hiện tượng phổ biến trong nhà bếp mà chúng ta có thể quan sát được đó là việc ấm đun nước hoặc nước trong xoong bị nóng lên. Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt thông qua chuyển động của các hạt khi có sự chênh lệch (gradient) về nhiệt độ. Trong số các loại dẫn nhiệt còn có đối lưu.

Trong trường hợp các chất giống hệt nhau, độ dẫn nhiệt của chất lỏng nhỏ hơn chất rắn và dẫn nhiệt cao hơn chất khí. Tính dẫn nhiệt của chất khí và kim loại tăng khi nhiệt độ tăng, còn chất lỏng giảm. Chúng ta thường xuyên phải đối mặt với sự đối lưu, cho dù chúng ta khuấy súp hoặc trà bằng thìa, hoặc mở cửa sổ, hoặc bật hệ thống thông gió để thông gió cho nhà bếp.

Đối lưu - từ tiếng Latinh là đối lưu (chuyển giao) - một loại truyền nhiệt khi năng lượng bên trong của chất khí hoặc chất lỏng được truyền bởi các tia và dòng. Phân biệt đối lưu tự nhiên và cưỡng bức. Trong trường hợp đầu tiên, các lớp chất lỏng hoặc không khí tự trộn với nhau khi được làm nóng hoặc làm lạnh. Và trong trường hợp thứ hai, có sự trộn lẫn cơ học giữa chất lỏng hoặc khí - bằng thìa, quạt hoặc bằng cách khác.

8. Bức xạ điện từ

Lò vi sóng đôi khi được gọi là lò vi sóng, hoặc lò vi sóng. Thành phần chính của mỗi lò vi sóng là một nam châm, chuyển đổi năng lượng điện thành bức xạ điện từ vi sóng với tần số lên đến 2,45 gigahertz (GHz). Bức xạ làm nóng thực phẩm bằng cách tương tác với các phân tử của nó.

Các sản phẩm chứa các phân tử lưỡng cực chứa điện tích dương và điện tích âm trên các phần đối diện của chúng.

Đây là các phân tử của chất béo, đường, nhưng hầu hết tất cả các phân tử lưỡng cực đều có trong nước, được tìm thấy trong hầu hết mọi sản phẩm. Trường vi sóng, liên tục thay đổi hướng của nó, làm cho các phân tử dao động với tần số cao, sẽ xếp dọc theo các đường sức để tất cả các phần mang điện tích dương của các phân tử "nhìn" theo hướng này hay hướng khác. Ma sát phân tử phát sinh, năng lượng được giải phóng, làm nóng thức ăn.

9. Cảm ứng

Trong nhà bếp, bạn ngày càng có thể tìm thấy bếp từ, chính là hiện tượng này. Nhà vật lý người Anh Michael Faraday phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ vào năm 1831 và kể từ đó không thể tưởng tượng được cuộc sống của chúng ta nếu không có nó.

Faraday đã phát hiện ra sự xuất hiện của dòng điện trong một vòng kín do sự thay đổi từ thông truyền qua vòng này. Kinh nghiệm học được biết khi một nam châm phẳng di chuyển bên trong một mạch hình xoắn ốc của một dây dẫn (điện từ), và dòng điện xuất hiện trong đó. Ngoài ra còn có một quá trình ngược lại - dòng điện xoay chiều trong điện từ (cuộn dây) tạo ra từ trường xoay chiều.

Một bếp từ hiện đại hoạt động trên nguyên tắc tương tự. Dưới tấm sưởi gốm thủy tinh (trung hòa với dao động điện từ) của bếp như vậy có một cuộn dây cảm ứng, qua đó có dòng điện chạy qua với tần số 20-60 kHz, tạo ra từ trường xoay chiều gây ra dòng điện xoáy trong một lớp mỏng. (lớp da) của đáy đĩa kim loại.

Điện trở làm bát đĩa nóng lên. Các dòng điện này không nguy hiểm hơn các món ăn nóng đỏ trên bếp thông thường. Dụng cụ nấu ăn phải là thép hoặc gang có tính sắt từ (hút nam châm).

10. Sự khúc xạ ánh sáng

Góc tới của ánh sáng bằng góc phản xạ, và sự truyền ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng từ đèn được giải thích bằng bản chất sóng hạt kép: một mặt, đây là sóng điện từ, mặt khác, hạt-photon, di chuyển với tốc độ tối đa có thể trong Vũ trụ.

Trong nhà bếp, bạn có thể quan sát hiện tượng quang học như hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Ví dụ, khi có một cái bình trong suốt với hoa trên bàn bếp, các thân cây trong nước dường như dịch chuyển ở ranh giới của mặt nước so với phần tiếp tục của chúng bên ngoài chất lỏng. Thực tế là nước, giống như một thấu kính, khúc xạ các tia sáng phản xạ từ các thân cây trong bình.

Một điều tương tự cũng được quan sát thấy trong một ly trà trong suốt, trong đó một chiếc thìa được nhúng. Bạn cũng có thể thấy hình ảnh hạt đậu hoặc ngũ cốc bị méo mó và phóng to ở đáy chậu nước trong sâu.