Kami belajar fisika dan mengajar anak-anak tanpa meninggalkan dapur

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Kami menghabiskan 1-2 jam di dapur setiap hari. Seseorang yang kurang, seseorang yang lebih. Karena itu, kita jarang memikirkan fenomena fisik ketika kita memasak sarapan, makan siang, atau makan malam. Tetapi tidak ada konsentrasi yang lebih besar dari mereka dalam kondisi sehari-hari daripada di dapur, di apartemen. Kesempatan bagus untuk menjelaskan fisika kepada anak-anak!

1. Difusi

Kami terus-menerus dihadapkan dengan fenomena ini di dapur. Namanya berasal dari bahasa Latin difusio - interaksi, penyebaran, distribusi.

Ini adalah proses saling penetrasi molekul atau atom dari dua zat yang berdampingan. Laju difusi sebanding dengan luas penampang tubuh (volume), dan perbedaan konsentrasi, suhu zat campuran. Jika ada perbedaan suhu, maka itu mengatur arah propagasi (gradien) - dari panas ke dingin. Akibatnya, penyelarasan spontan konsentrasi molekul atau atom terjadi.

Fenomena ini dapat diamati di dapur ketika bau menyebar. Berkat difusi gas, duduk di ruangan lain, Anda dapat memahami apa yang sedang dimasak. Seperti yang Anda ketahui, gas alam tidak berbau dan ditambahkan aditif untuk memudahkan pendeteksian kebocoran gas domestik.

Bau seperti etil merkaptan menambah bau yang menyengat. Jika kompor tidak menyala pertama kali, maka kita dapat mencium bau tertentu, yang kita kenal sejak kecil sebagai bau gas rumah tangga.

Dan jika Anda membuang butiran teh atau teh celup ke dalam air mendidih dan tidak diaduk, Anda dapat melihat bagaimana infus teh menyebar dalam volume air murni.

Ini adalah difusi cairan. Contoh difusi dalam padatan adalah penggaraman tomat, mentimun, jamur, atau kubis. Kristal garam dalam air terurai menjadi ion Na dan Cl, yang, bergerak secara kacau, menembus di antara molekul zat dalam komposisi sayuran atau jamur.

2. Perubahan keadaan agregasi

Beberapa dari kita memperhatikan bahwa dalam segelas air yang tersisa, setelah beberapa hari, bagian air yang sama menguap pada suhu kamar seperti ketika direbus selama 1-2 menit. Dan ketika kita membekukan makanan atau air untuk es batu di lemari es, kita tidak memikirkan bagaimana ini terjadi.

Sementara itu, fenomena dapur yang paling umum dan umum ini mudah dijelaskan. Cairan memiliki keadaan peralihan antara padat dan gas.

Pada suhu selain mendidih atau beku, gaya tarik antara molekul dalam cairan tidak sekuat atau lemah seperti pada padatan dan gas. Oleh karena itu, misalnya, hanya menerima energi (dari sinar matahari, molekul udara pada suhu kamar), molekul cair dari permukaan terbuka secara bertahap masuk ke fase gas, menciptakan tekanan uap di atas permukaan cair.

Laju penguapan meningkat dengan peningkatan luas permukaan cairan, peningkatan suhu, dan penurunan tekanan eksternal. Jika suhu dinaikkan, maka tekanan uap cairan ini mencapai tekanan eksternal. Suhu di mana ini terjadi disebut titik didih. Titik didih menurun dengan penurunan tekanan eksternal. Karena itu, di daerah pegunungan, air mendidih lebih cepat.

Sebaliknya, ketika suhu turun, molekul air kehilangan energi kinetiknya ke tingkat gaya tarik-menarik di antara mereka sendiri. Mereka tidak lagi bergerak secara kacau, yang memungkinkan pembentukan kisi kristal seperti padatan. Suhu 0 ° C di mana ini terjadi disebut titik beku air.

Saat dibekukan, air memuai. Banyak orang bisa berkenalan dengan fenomena ini ketika mereka memasukkan botol plastik berisi minuman ke dalam freezer untuk pendinginan cepat dan melupakannya, dan kemudian botol itu pecah. Ketika didinginkan hingga suhu 4 ° C, peningkatan kepadatan air pertama kali diamati, di mana kepadatan maksimum dan volume minimum tercapai. Kemudian, pada suhu 4 hingga 0 ° C, terjadi penataan ulang ikatan dalam molekul air, dan strukturnya menjadi kurang padat.

Pada suhu 0 °C, fase cair air berubah menjadi padat. Setelah air benar-benar membeku dan berubah menjadi es, volumenya bertambah 8, 4%, yang menyebabkan pecahnya botol plastik. Kandungan cairan dalam banyak produk rendah, sehingga volumenya tidak meningkat begitu terasa saat dibekukan.

3. Penyerapan dan adsorpsi

Dua fenomena yang hampir tak terpisahkan ini, yang disebut dari bahasa Latin sorbeo (menyerap), diamati, misalnya, ketika memanaskan air dalam ketel atau panci. Gas yang tidak bekerja secara kimia pada cairan tetap dapat diserap olehnya saat kontak dengannya. Fenomena ini disebut penyerapan.

Ketika gas diserap oleh benda padat berbutir halus atau berpori, sebagian besar terakumulasi secara padat dan tertahan di permukaan pori atau butiran dan tidak didistribusikan ke seluruh volume. Dalam hal ini, prosesnya disebut adsorpsi. Fenomena ini dapat diamati ketika air mendidih - gelembung terpisah dari dinding panci atau ketel saat dipanaskan.

Udara yang dikeluarkan dari air mengandung 63% nitrogen dan 36% oksigen. Secara umum, udara atmosfer mengandung 78% nitrogen dan 21% oksigen.

Garam meja dalam wadah terbuka dapat menjadi basah karena sifat higroskopisnya - penyerapan uap air dari udara. Dan baking soda bertindak sebagai adsorben ketika ditempatkan di lemari es untuk menghilangkan bau.

4. Manifestasi hukum Archimedes

Saat kita akan memasak ayam, kita mengisi panci dengan air sekitar setengah atau, tergantung pada ukuran ayam. Dengan merendam bangkai dalam panci berisi air, kita melihat bahwa berat ayam di dalam air berkurang secara nyata, dan air naik ke tepi panci.

Fenomena ini dijelaskan oleh gaya apung atau hukum Archimedes. Dalam hal ini, gaya apung bekerja pada benda yang direndam dalam cairan, sama dengan berat cairan dalam volume bagian tubuh yang terendam. Gaya ini disebut gaya Archimedes, seperti hukum itu sendiri, yang menjelaskan fenomena ini.

5. Tegangan permukaan

Banyak orang ingat eksperimen dengan film cairan, yang ditampilkan dalam pelajaran fisika di sekolah. Bingkai kawat kecil dengan satu sisi yang dapat digerakkan dicelupkan ke dalam air sabun dan kemudian ditarik keluar. Kekuatan tegangan permukaan dalam film yang terbentuk di sepanjang perimeter mengangkat bagian bawah bingkai yang dapat digerakkan. Agar tidak bergerak, sebuah beban ditangguhkan darinya ketika percobaan diulang.

Fenomena ini dapat diamati di saringan - setelah digunakan, air tetap berada di lubang di bagian bawah peralatan dapur ini. Fenomena yang sama dapat diamati setelah mencuci garpu - ada juga garis-garis air di permukaan bagian dalam di antara beberapa gigi.

Fisika cairan menjelaskan fenomena ini sebagai berikut: molekul cairan sangat dekat satu sama lain sehingga gaya tarik-menarik di antara mereka menciptakan tegangan permukaan pada bidang permukaan bebas. Jika gaya tarik molekul air dari film cair lebih lemah dari gaya tarik ke permukaan saringan, maka film air pecah.

Juga, kekuatan tegangan permukaan terlihat ketika kita menuangkan sereal atau kacang polong, kacang-kacangan ke dalam panci dengan air, atau menambahkan butiran lada bulat. Beberapa butir akan tetap berada di permukaan air, sementara sebagian besar akan tenggelam ke dasar di bawah berat sisanya. Jika Anda menekan sedikit butiran yang mengambang dengan ujung jari atau sendok Anda, mereka akan mengatasi tegangan permukaan air dan tenggelam ke dasar.

6. Membasahi dan menyebar

Cairan yang tumpah dapat membentuk noda kecil di atas kompor berlapis minyak, dan satu genangan air di atas meja. Masalahnya adalah molekul cair dalam kasus pertama lebih tertarik satu sama lain daripada ke permukaan piring, di mana ada lapisan lemak yang tidak dibasahi oleh air, dan di atas meja yang bersih gaya tarik molekul air ke molekul permukaan meja lebih tinggi daripada gaya tarik molekul air satu sama lain. Akibatnya, genangan air menyebar.

Fenomena ini juga terkait dengan fisika cairan dan terkait dengan tegangan permukaan. Seperti yang Anda ketahui, gelembung sabun atau tetesan cairan memiliki bentuk bulat karena gaya tegangan permukaan.

Dalam tetesan, molekul cair tertarik satu sama lain lebih kuat daripada molekul gas, dan cenderung ke bagian dalam tetesan cair, mengurangi luas permukaannya. Tetapi, jika ada permukaan padat yang dibasahi, maka bagian dari tetesan pada saat kontak diregangkan sepanjang itu, karena molekul-molekul padatan menarik molekul-molekul cairan, dan gaya ini melebihi gaya tarik-menarik antara molekul-molekul cairan..

Tingkat pembasahan dan penyebaran di atas permukaan padat akan tergantung pada gaya mana yang lebih besar - gaya tarik molekul cairan dan molekul padatan di antara mereka atau gaya tarik molekul di dalam cairan.

Sejak tahun 1938, fenomena fisik ini telah banyak digunakan dalam industri, dalam produksi barang-barang rumah tangga, ketika bahan Teflon (polytetrafluoroethylene) disintesis di laboratorium DuPont.

Sifatnya digunakan tidak hanya dalam pembuatan peralatan masak anti lengket, tetapi juga dalam pembuatan kain dan pelapis tahan air, anti air untuk pakaian dan sepatu. Teflon diakui oleh Guinness Book of Records sebagai bahan paling licin di dunia. Ini memiliki tegangan permukaan dan adhesi (lengket) yang sangat rendah, tidak dibasahi dengan air, minyak atau banyak pelarut organik.

7. Konduktivitas termal

Salah satu fenomena paling umum di dapur yang bisa kita amati adalah pemanasan ketel atau air dalam panci. Konduktivitas termal adalah perpindahan panas melalui pergerakan partikel ketika ada perbedaan (gradien) suhu. Di antara jenis konduktivitas termal, ada juga konveksi.

Dalam kasus zat yang identik, konduktivitas termal cairan kurang dari padatan, dan lebih tinggi dari gas. Konduktivitas termal gas dan logam meningkat dengan meningkatnya suhu, dan cairan menurun. Kita terus-menerus dihadapkan dengan konveksi, apakah kita mengaduk sup atau teh dengan sendok, atau membuka jendela, atau menyalakan ventilasi untuk ventilasi dapur.

Konveksi - dari bahasa Latin convectiō (transfer) - jenis perpindahan panas ketika energi internal gas atau cairan ditransfer oleh pancaran dan aliran. Bedakan antara konveksi alami dan paksa. Dalam kasus pertama, lapisan cairan atau udara itu sendiri bercampur ketika dipanaskan atau didinginkan. Dan dalam kasus kedua, ada pencampuran mekanis dari cairan atau gas - dengan sendok, kipas angin atau dengan cara lain.

8. Radiasi elektromagnetik

Oven microwave kadang-kadang disebut oven microwave, atau oven microwave. Elemen utama dari setiap oven microwave adalah magnetron, yang mengubah energi listrik menjadi radiasi elektromagnetik gelombang mikro dengan frekuensi hingga 2,45 gigahertz (GHz). Radiasi memanaskan makanan dengan berinteraksi dengan molekulnya.

Produk mengandung molekul dipol yang mengandung muatan listrik positif dan negatif pada bagian yang berlawanan.

Ini adalah molekul lemak, gula, tetapi sebagian besar dari semua molekul dipol berada dalam air, yang ditemukan di hampir semua produk. Medan gelombang mikro, yang terus-menerus mengubah arahnya, membuat molekul bergetar dengan frekuensi tinggi, yang berbaris di sepanjang garis gaya sehingga semua bagian molekul bermuatan positif "melihat" ke satu arah atau yang lain. Gesekan molekul muncul, energi dilepaskan, yang memanaskan makanan.

9. Induksi

Di dapur, Anda dapat semakin menemukan kompor induksi, yang didasarkan pada fenomena ini. Fisikawan Inggris Michael Faraday menemukan induksi elektromagnetik pada tahun 1831 dan sejak itu mustahil membayangkan hidup kita tanpanya.

Faraday menemukan terjadinya arus listrik dalam loop tertutup karena perubahan fluks magnet yang melewati loop ini. Pengalaman sekolah diketahui ketika sebuah magnet datar bergerak di dalam rangkaian kawat (solenoid) berbentuk spiral, dan arus listrik muncul di dalamnya. Ada juga proses sebaliknya - arus listrik bolak-balik dalam solenoid (kumparan) menciptakan medan magnet bolak-balik.

Kompor induksi modern bekerja dengan prinsip yang sama. Di bawah panel pemanas kaca-keramik (netral terhadap osilasi elektromagnetik) dari kompor semacam itu ada koil induksi di mana arus listrik mengalir dengan frekuensi 20-60 kHz, menciptakan medan magnet bolak-balik yang menginduksi arus eddy di lapisan tipis (lapisan kulit) dari bagian bawah piring logam.

Hambatan listrik memanaskan piring. Arus ini tidak lebih berbahaya daripada piring panas di atas kompor biasa. Peralatan masak harus dari baja atau besi tuang dengan sifat feromagnetik (menarik magnet).

10. Pembiasan cahaya

Sudut datangnya cahaya sama dengan sudut pantul, dan perambatan cahaya alami atau cahaya dari lampu dijelaskan oleh sifat partikel gelombang ganda: di satu sisi, ini adalah gelombang elektromagnetik, dan di sisi lain, partikel-foton, yang bergerak dengan kecepatan maksimum di alam semesta.

Di dapur, Anda dapat mengamati fenomena optik seperti pembiasan cahaya. Misalnya, ketika ada vas transparan dengan bunga di atas meja dapur, batang di dalam air tampak bergeser pada batas permukaan air relatif terhadap kelanjutannya di luar cairan. Faktanya adalah bahwa air, seperti lensa, membiaskan sinar cahaya yang dipantulkan dari batang di vas.

Hal serupa diamati dalam segelas teh transparan, di mana sendok dicelupkan. Anda juga dapat melihat gambar kacang atau sereal yang terdistorsi dan diperbesar di dasar panci berisi air jernih.