Wir lernen Physik und unterrichten Kinder, ohne die Küche zu verlassen

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Wir verbringen täglich 1-2 Stunden in der Küche. Jemand weniger, jemand mehr. Davon abgesehen denken wir beim Frühstück, Mittag- oder Abendessen selten an physikalische Phänomene. Aber im Alltag kann es keine größere Konzentration geben als in der Küche, in der Wohnung. Eine gute Gelegenheit, Kindern Physik zu erklären!

1. Verbreitung

In der Küche sind wir ständig mit diesem Phänomen konfrontiert. Sein Name leitet sich vom lateinischen diffusio ab – Wechselwirkung, Ausbreitung, Verteilung.

Dies ist der Prozess der gegenseitigen Durchdringung von Molekülen oder Atomen zweier benachbarter Substanzen. Die Diffusionsrate ist proportional zur Querschnittsfläche des Körpers (Volumen) und dem Konzentrationsunterschied, den Temperaturen der gemischten Substanzen. Wenn es einen Temperaturunterschied gibt, legt er die Ausbreitungsrichtung (Gradient) fest - von heiß nach kalt. Als Ergebnis kommt es zu einer spontanen Ausrichtung der Konzentrationen von Molekülen oder Atomen.

Dieses Phänomen kann in der Küche beobachtet werden, wenn sich Gerüche ausbreiten. Dank der Diffusion von Gasen können Sie in einem anderen Raum sitzen und verstehen, was kocht. Wie Sie wissen, ist Erdgas geruchlos und es wird ein Zusatz hinzugefügt, um das Austreten von Haushaltsgas leichter erkennen zu können.

Ein Geruchsstoff wie Ethylmercaptan fügt einen stechenden Geruch hinzu. Wenn der Brenner beim ersten Mal nicht zündet, können wir einen bestimmten Geruch riechen, den wir aus der Kindheit als Haushaltsgasgeruch kennen.

Und wenn Sie Teekörner oder einen Teebeutel in kochendes Wasser werfen und nicht umrühren, können Sie sehen, wie sich der Teeaufguss in der Menge reinen Wassers verteilt.

Dies ist die Diffusion von Flüssigkeiten. Ein Beispiel für die Diffusion in einen Feststoff wäre das Salzen von Tomaten, Gurken, Pilzen oder Kohl. Salzkristalle im Wasser zerfallen in Na- und Cl-Ionen, die chaotisch zwischen die Stoffmoleküle in der Zusammensetzung von Gemüse oder Pilzen eindringen.

2. Änderung des Aggregatzustands

Nur wenige von uns haben bemerkt, dass in einem linken Glas Wasser nach einigen Tagen bei Raumtemperatur der gleiche Teil des Wassers verdunstet wie beim Kochen für 1-2 Minuten. Und wenn wir Lebensmittel oder Wasser für Eiswürfel im Kühlschrank einfrieren, denken wir nicht daran, wie das passiert.

Inzwischen sind diese häufigsten und häufigsten Küchenphänomene leicht erklärt. Eine Flüssigkeit hat einen Zwischenzustand zwischen Feststoffen und Gasen.

Bei anderen Temperaturen als Siede- oder Gefriertemperaturen sind die Anziehungskräfte zwischen Molekülen in einer Flüssigkeit nicht so stark oder schwach wie in Feststoffen und Gasen. So gelangen zum Beispiel die Flüssigkeitsmoleküle von der offenen Oberfläche unter ausschließlicher Energieaufnahme (von Sonnenstrahlen, Luftmolekülen bei Raumtemperatur) allmählich in die Gasphase, wodurch ein Dampfdruck über der Flüssigkeitsoberfläche entsteht.

Die Verdampfungsrate steigt mit einer Zunahme der Oberfläche der Flüssigkeit, einer Temperaturerhöhung und einer Abnahme des Außendrucks. Wird die Temperatur erhöht, erreicht der Dampfdruck dieser Flüssigkeit den Außendruck. Die Temperatur, bei der dies geschieht, wird Siedepunkt genannt. Der Siedepunkt sinkt mit abnehmendem Außendruck. Daher kocht Wasser in Berggebieten schneller.

Umgekehrt verlieren Wassermoleküle bei sinkender Temperatur ihre kinetische Energie auf das Niveau der Anziehungskräfte zwischen sich. Sie bewegen sich nicht mehr chaotisch, was die Bildung eines Kristallgitters wie bei Festkörpern ermöglicht. Die Temperatur von 0 °C, bei der dies geschieht, wird als Gefrierpunkt von Wasser bezeichnet.

Beim Gefrieren dehnt sich Wasser aus. Viele Leute konnten dieses Phänomen kennenlernen, wenn sie eine Plastikflasche mit einem Getränk zum schnellen Abkühlen in den Gefrierschrank stellten und es vergaß, und dann platzte die Flasche. Beim Abkühlen auf eine Temperatur von 4 ° C wird zunächst eine Zunahme der Dichte von Wasser beobachtet, bei der seine maximale Dichte und sein minimales Volumen erreicht werden. Dann kommt es bei Temperaturen von 4 bis 0 ° C zu einer Umlagerung der Bindungen im Wassermolekül und seine Struktur wird weniger dicht.

Bei einer Temperatur von 0 ° C geht die flüssige Phase des Wassers in eine feste über. Nachdem das Wasser vollständig gefriert und zu Eis wird, wächst sein Volumen um 8, 4%, was zum Platzen der Plastikflasche führt. Der Flüssigkeitsgehalt vieler Produkte ist gering, daher nehmen sie beim Einfrieren nicht so merklich an Volumen zu.

3. Absorption und Adsorption

Diese beiden fast untrennbaren Phänomene, aus dem Lateinischen sorbeo (aufsaugen) genannt, werden zum Beispiel beim Erhitzen von Wasser in einem Kessel oder Topf beobachtet. Ein Gas, das chemisch nicht auf eine Flüssigkeit einwirkt, kann dennoch bei Kontakt mit dieser von dieser aufgenommen werden. Dieses Phänomen wird Absorption genannt.

Wenn Gase von festen feinkörnigen oder porösen Körpern absorbiert werden, reichern sich die meisten von ihnen dicht an und werden an der Oberfläche von Poren oder Körnern zurückgehalten und werden nicht über das Volumen verteilt. In diesem Fall wird der Vorgang als Adsorption bezeichnet. Diese Phänomene können beim Kochen von Wasser beobachtet werden - Blasen lösen sich beim Erhitzen von den Wänden eines Topfes oder Wasserkochers.

Die aus dem Wasser freigesetzte Luft enthält 63 % Stickstoff und 36 % Sauerstoff. Im Allgemeinen enthält atmosphärische Luft 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff.

Kochsalz in einem nicht abgedeckten Behälter kann aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaften - der Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft - nass werden. Und Backpulver wirkt als Adsorptionsmittel, wenn es in den Kühlschrank gestellt wird, um Gerüche zu entfernen.

4. Manifestation des Gesetzes von Archimedes

Wenn wir bereit sind, das Huhn zu kochen, füllen wir den Topf je nach Größe des Huhns etwa zur Hälfte oder zu ¾ mit Wasser. Beim Eintauchen des Kadavers in einen Topf mit Wasser stellen wir fest, dass das Gewicht des Huhns im Wasser merklich reduziert wird und das Wasser bis zum Rand des Topfes aufsteigt.

Dieses Phänomen wird durch die Auftriebskraft oder das archimedische Gesetz erklärt. In diesem Fall wirkt auf einen in eine Flüssigkeit eingetauchten Körper eine Auftriebskraft, die dem Gewicht der Flüssigkeit im Volumen des eingetauchten Körperteils entspricht. Diese Kraft wird Archimedeskraft genannt, ebenso wie das Gesetz selbst, das dieses Phänomen erklärt.

5. Oberflächenspannung

Viele erinnern sich an die Experimente mit Flüssigkeitsfilmen, die im Physikunterricht in der Schule gezeigt wurden. Ein kleiner Drahtrahmen mit einer beweglichen Seite wurde in Seifenlauge getaucht und dann herausgezogen. Die Kräfte der Oberflächenspannung in dem entlang des Umfangs gebildeten Film hoben den unteren beweglichen Teil des Rahmens an. Um es bewegungslos zu halten, wurde bei der Wiederholung des Experiments ein Gewicht daran aufgehängt.

Dieses Phänomen kann man bei einem Sieb beobachten – nach dem Gebrauch bleibt Wasser in den Löchern im Boden dieser Küchenutensilien. Das gleiche Phänomen kann nach dem Waschen der Gabeln beobachtet werden - es gibt auch Wasserschlieren auf der Innenfläche zwischen einigen Zähnen.

Die Physik der Flüssigkeiten erklärt dieses Phänomen wie folgt: Flüssigkeitsmoleküle liegen so nahe beieinander, dass die Anziehungskräfte zwischen ihnen eine Oberflächenspannung in der Ebene der freien Oberfläche erzeugen. Ist die Anziehungskraft der Wassermoleküle des Flüssigkeitsfilms geringer als die Anziehungskraft auf die Oberfläche des Siebs, dann reißt der Wasserfilm.

Auch die Kräfte der Oberflächenspannung machen sich bemerkbar, wenn wir Getreide oder Erbsen, Bohnen in einen Topf mit Wasser gießen oder runde Pfefferkörner hinzufügen. Einige Körner bleiben an der Wasseroberfläche, während die meisten unter dem Gewicht des Rests auf den Boden sinken. Wenn Sie mit der Fingerspitze oder einem Löffel leicht auf die schwimmenden Körner drücken, überwinden sie die Oberflächenspannung des Wassers und sinken zu Boden.

6. Benetzen und verteilen

Verschüttete Flüssigkeit kann auf einem fettbeschichteten Herd kleine Flecken und auf dem Tisch eine einzelne Pfütze bilden. Die Sache ist, dass die Flüssigkeitsmoleküle im ersten Fall mehr voneinander angezogen werden als von der Oberfläche der Platte, wo sich ein Fettfilm befindet, der nicht von Wasser benetzt wird, und auf einem sauberen Tisch die Anziehungskraft der Wassermoleküle auf die Moleküle von die Tischoberfläche ist höher als die Anziehungskraft der Wassermoleküle aufeinander. Dadurch breitet sich die Pfütze aus.

Dieses Phänomen hängt auch mit der Physik von Flüssigkeiten zusammen und hängt mit der Oberflächenspannung zusammen. Wie Sie wissen, haben Seifenblasen oder Flüssigkeitströpfchen aufgrund von Oberflächenspannungskräften eine Kugelform.

In einem Tröpfchen werden Flüssigkeitsmoleküle stärker voneinander angezogen als von Gasmolekülen und tendieren zum Inneren des Flüssigkeitströpfchens, wodurch seine Oberfläche verringert wird. Aber wenn es eine feststoffbenetzte Oberfläche gibt, dann wird ein Teil des Tropfens beim Kontakt entlang dieser gestreckt, weil die Moleküle des Festkörpers die Moleküle der Flüssigkeit anziehen, und diese Kraft übersteigt die Anziehungskraft zwischen den Molekülen der Flüssigkeit.

Der Grad der Benetzung und Ausbreitung über eine feste Oberfläche hängt davon ab, welche Kraft größer ist - die Anziehungskraft von Molekülen einer Flüssigkeit und Molekülen eines Festkörpers untereinander oder die Anziehungskraft von Molekülen in einer Flüssigkeit.

Seit 1938 wurde dieses physikalische Phänomen in der Industrie bei der Herstellung von Haushaltswaren weit verbreitet, als im DuPont-Labor Teflon (Polytetrafluorethylen) synthetisiert wurde.

Seine Eigenschaften werden nicht nur bei der Herstellung von antihaftbeschichtetem Kochgeschirr genutzt, sondern auch bei der Herstellung von wasserdichten, wasserabweisenden Stoffen und Beschichtungen für Kleidung und Schuhe. Teflon wird vom Guinness-Buch der Rekorde als die rutschigste Substanz der Welt anerkannt. Es hat eine sehr geringe Oberflächenspannung und Haftung (Haftung), es wird nicht mit Wasser, Fett oder vielen organischen Lösungsmitteln benetzt.

7. Wärmeleitfähigkeit

Eines der häufigsten Phänomene in der Küche, die wir beobachten können, ist das Erhitzen eines Wasserkochers oder Wassers in einem Topf. Wärmeleitfähigkeit ist die Übertragung von Wärme durch die Bewegung von Partikeln bei einem Temperaturunterschied (Gradient). Zu den Arten der Wärmeleitfähigkeit gehört auch die Konvektion.

Bei identischen Stoffen ist die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten geringer als die von Feststoffen und höher als die von Gasen. Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen und Metallen nimmt mit steigender Temperatur zu, die von Flüssigkeiten nimmt ab. Wir sind ständig mit Konvektion konfrontiert, egal ob wir Suppe oder Tee mit einem Löffel umrühren, ein Fenster öffnen oder die Lüftung einschalten, um die Küche zu lüften.

Konvektion - aus dem Lateinischen convectiō (Übertragung) - eine Art der Wärmeübertragung, bei der die innere Energie eines Gases oder einer Flüssigkeit durch Strahlen und Ströme übertragen wird. Unterscheiden Sie zwischen natürlicher und erzwungener Konvektion. Im ersten Fall werden Flüssigkeits- oder Luftschichten beim Erhitzen oder Abkühlen selbst vermischt. Und im zweiten Fall gibt es eine mechanische Vermischung einer Flüssigkeit oder eines Gases - mit einem Löffel, einem Ventilator oder auf andere Weise.

8. Elektromagnetische Strahlung

Ein Mikrowellenherd wird manchmal als Mikrowellenherd oder Mikrowellenherd bezeichnet. Das Hauptelement jedes Mikrowellenherdes ist ein Magnetron, das elektrische Energie in elektromagnetische Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von bis zu 2,45 Gigahertz (GHz) umwandelt. Strahlung erwärmt Nahrung, indem sie mit ihren Molekülen interagiert.

Die Produkte enthalten Dipolmoleküle, die an ihren gegenüberliegenden Teilen positive elektrische und negative Ladungen enthalten.

Dies sind Moleküle von Fetten, Zucker, aber vor allem Dipolmoleküle befinden sich in Wasser, das in fast jedem Produkt vorkommt. Das Mikrowellenfeld, das ständig seine Richtung ändert, lässt die Moleküle mit hoher Frequenz vibrieren, die sich entlang der Kraftlinien ausrichten, so dass alle positiv geladenen Teile der Moleküle in die eine oder andere Richtung "blicken". Es entsteht Molekülreibung, Energie wird freigesetzt, die das Essen erhitzt.

9. Induktion

In der Küche findet man immer häufiger Induktionsherde, die auf diesem Phänomen basieren. Der englische Physiker Michael Faraday entdeckte 1831 die elektromagnetische Induktion und ist seitdem aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken.

Faraday entdeckte das Auftreten eines elektrischen Stroms in einer geschlossenen Schleife aufgrund einer Änderung des magnetischen Flusses, der durch diese Schleife fließt. Eine Schulerfahrung ist bekannt, wenn sich ein flacher Magnet in einem spiralförmigen Drahtkreis (Magnet) bewegt und darin ein elektrischer Strom auftritt. Es gibt auch einen umgekehrten Vorgang - ein elektrischer Wechselstrom in einer Magnetspule (Spule) erzeugt ein magnetisches Wechselfeld.

Ein moderner Induktionsherd funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Unter einer Glaskeramik-Heizplatte (neutral gegenüber elektromagnetischen Schwingungen) eines solchen Ofens befindet sich eine Induktionsspule, durch die ein elektrischer Strom mit einer Frequenz von 20-60 kHz fließt und ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in einer dünnen Schicht Wirbelströme induziert (Hautschicht) des Bodens einer Metallschale.

Der elektrische Widerstand erhitzt das Geschirr. Diese Strömungen sind nicht gefährlicher als glühende Gerichte auf gewöhnlichen Herden. Kochgeschirr sollte aus Stahl oder Gusseisen mit ferromagnetischen Eigenschaften bestehen (Magnet anziehen).

10. Lichtbrechung

Der Einfallswinkel des Lichts ist gleich dem Reflexionswinkel, und die Ausbreitung von natürlichem Licht oder Licht von Lampen wird durch eine duale Wellen-Teilchen-Natur erklärt: Dies sind einerseits elektromagnetische Wellen, andererseits Teilchen-Photonen, die sich mit der maximal möglichen Geschwindigkeit im Universum bewegen.

In der Küche können Sie ein optisches Phänomen wie die Lichtbrechung beobachten. Steht beispielsweise eine transparente Vase mit Blumen auf dem Küchentisch, scheinen sich die Stängel im Wasser an der Grenze der Wasseroberfläche relativ zu ihrer Fortsetzung außerhalb der Flüssigkeit zu verschieben. Tatsache ist, dass Wasser wie eine Linse die Lichtstrahlen bricht, die von den Stielen in der Vase reflektiert werden.

Ähnliches wird bei einem durchsichtigen Teeglas beobachtet, in das ein Löffel getaucht wird. Sie können auch ein verzerrtes und vergrößertes Bild von Bohnen oder Getreide am Boden eines tiefen Topfes mit klarem Wasser sehen.