Aprendemos física e ensinamos crianças sem sair da cozinha

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Passamos 1-2 horas na cozinha todos os dias. Alguém a menos, alguém a mais. Dito isso, raramente pensamos em fenômenos físicos quando preparamos o café da manhã, almoço ou jantar. Mas não pode haver concentração maior deles nas condições cotidianas do que na cozinha, no apartamento. Uma boa oportunidade para explicar física para crianças!

1. Difusão

Estamos constantemente confrontados com este fenômeno na cozinha. Seu nome é derivado do latim diffusio - interação, dispersão, distribuição.

Este é o processo de penetração mútua de moléculas ou átomos de duas substâncias adjacentes. A taxa de difusão é proporcional à área da seção transversal do corpo (volume) e à diferença nas concentrações, temperaturas das substâncias misturadas. Se houver uma diferença de temperatura, ele define a direção de propagação (gradiente) - de quente para frio. Como resultado, ocorre o alinhamento espontâneo das concentrações de moléculas ou átomos.

Esse fenômeno pode ser observado na cozinha quando os odores se espalham. Graças à difusão dos gases, sentado em outra sala, dá para entender o que é cozinhar. Como você sabe, o gás natural não tem cheiro e é adicionado um aditivo para facilitar a detecção de vazamentos de gás doméstico.

Um odor como o etil mercaptano adiciona um odor pungente. Se o queimador não acender da primeira vez, podemos sentir um cheiro específico, que conhecemos desde a infância como o cheiro de gás doméstico.

E se você jogar grãos de chá ou um saquinho de chá na água fervente e não mexer, pode ver como a infusão de chá se espalha no volume de água pura.

Esta é a difusão de líquidos. Um exemplo de difusão em um sólido seria a salga de tomate, pepino, cogumelo ou repolho. Os cristais de sal na água se decompõem em íons Na e Cl, que, movendo-se de maneira caótica, penetram entre as moléculas de substâncias na composição de vegetais ou cogumelos.

2. Mudança de estado de agregação

Poucos de nós notamos que em um copo de água à esquerda, após alguns dias, a mesma parte da água evapora em temperatura ambiente como quando fervia por 1-2 minutos. E quando congelamos comida ou água para fazer cubos de gelo na geladeira, não pensamos sobre como isso acontece.

Enquanto isso, esses fenômenos mais comuns e comuns na cozinha são facilmente explicados. Um líquido tem um estado intermediário entre sólidos e gases.

Em temperaturas diferentes de fervura ou congelamento, as forças de atração entre as moléculas em um líquido não são tão fortes ou fracas como em sólidos e gases. Portanto, por exemplo, recebendo apenas energia (dos raios solares, moléculas de ar em temperatura ambiente), as moléculas de líquido da superfície aberta passam gradualmente para a fase gasosa, criando uma pressão de vapor acima da superfície do líquido.

A taxa de evaporação aumenta com o aumento da área de superfície do líquido, aumento da temperatura e diminuição da pressão externa. Se a temperatura aumentar, a pressão de vapor desse líquido atinge a pressão externa. A temperatura na qual isso ocorre é chamada de ponto de ebulição. O ponto de ebulição diminui com a diminuição da pressão externa. Portanto, em áreas montanhosas, a água ferve mais rápido.

Por outro lado, quando a temperatura cai, as moléculas de água perdem sua energia cinética ao nível das forças de atração entre si. Eles não se movem mais caoticamente, o que permite a formação de uma rede cristalina como a dos sólidos. A temperatura de 0 ° C na qual isso ocorre é chamada de ponto de congelamento da água.

Quando congelada, a água se expande. Muitas pessoas puderam se familiarizar com esse fenômeno quando colocaram uma garrafa de plástico com uma bebida no freezer para um resfriamento rápido e se esqueceram dela, e então a garrafa estourou. Quando resfriada a uma temperatura de 4 ° C, primeiro observa-se um aumento na densidade da água, em que sua densidade máxima e seu volume mínimo são atingidos. Então, em temperaturas de 4 a 0 ° C, ocorre um rearranjo de ligações na molécula de água, e sua estrutura torna-se menos densa.

A uma temperatura de 0 ° C, a fase líquida da água muda para sólida. Depois que a água congela completamente e vira gelo, seu volume sobe 8,4%, o que leva ao estouro da garrafa de plástico. O conteúdo líquido em muitos produtos é baixo, então eles não aumentam de volume tão visivelmente quando congelados.

3. Absorção e adsorção

Esses dois fenômenos quase inseparáveis, chamados do latim sorbeo (absorver), são observados, por exemplo, ao aquecer água em uma chaleira ou panela. Um gás que não age quimicamente sobre um líquido pode, no entanto, ser absorvido por ele em contato com ele. Este fenômeno é chamado de absorção.

Quando os gases são absorvidos por corpos sólidos de granulação fina ou porosos, a maioria deles se acumula densamente e fica retida na superfície dos poros ou grãos e não é distribuída por todo o volume. Nesse caso, o processo é denominado adsorção. Esses fenômenos podem ser observados ao ferver água - bolhas se separam das paredes de uma panela ou chaleira quando aquecidas.

O ar liberado da água contém 63% de nitrogênio e 36% de oxigênio. Em geral, o ar atmosférico contém 78% de nitrogênio e 21% de oxigênio.

O sal de mesa em um recipiente descoberto pode ficar úmido devido às suas propriedades higroscópicas - a absorção de vapor d'água do ar. E o bicarbonato de sódio age como um adsorvente quando colocado na geladeira para remover odores.

4. Manifestação da lei de Arquimedes

Quando estamos prontos para cozinhar o frango, enchemos a panela com água cerca de metade ou ¾, dependendo do tamanho do frango. Ao mergulhar a carcaça em uma panela com água, notamos que o peso do frango na água é sensivelmente reduzido, e a água sobe até as bordas da panela.

Este fenômeno é explicado pela força de empuxo ou lei de Arquimedes. Nesse caso, uma força de empuxo atua sobre um corpo imerso em um líquido, igual ao peso do líquido no volume da parte submersa do corpo. Essa força é chamada de força de Arquimedes, como é a própria lei, que explica esse fenômeno.

5. Tensão superficial

Muitas pessoas se lembram dos experimentos com filmes de líquidos, que eram exibidos nas aulas de física na escola. Uma pequena estrutura de arame com um lado móvel foi mergulhada em água com sabão e, em seguida, puxada para fora. As forças de tensão superficial no filme formado ao longo do perímetro levantaram a parte móvel inferior da estrutura. Para mantê-lo imóvel, um peso foi suspenso nele quando o experimento foi repetido.

Esse fenômeno pode ser observado em uma peneira - após o uso, a água permanece nos orifícios do fundo desses utensílios de cozinha. O mesmo fenômeno pode ser observado após a lavagem dos garfos - também há estrias de água na superfície interna entre alguns dentes.

A física dos líquidos explica esse fenômeno da seguinte maneira: as moléculas dos líquidos estão tão próximas umas das outras que as forças de atração entre elas criam tensão superficial no plano da superfície livre. Se a força de atração das moléculas de água do filme líquido for mais fraca do que a força de atração da superfície do coador, o filme de água se rompe.

Além disso, as forças da tensão superficial são perceptíveis quando colocamos cereais ou ervilhas, feijão em uma panela com água ou adicionamos grãos redondos de pimenta. Alguns grãos permanecerão na superfície da água, enquanto a maioria afundará sob o peso do resto. Se você pressionar levemente os grãos que flutuam com a ponta do dedo ou com uma colher, eles superarão a tensão superficial da água e afundarão.

6. Molhar e espalhar

O líquido derramado pode formar pequenas manchas em um fogão revestido de graxa e uma única poça na mesa. Acontece que as moléculas do líquido no primeiro caso são mais atraídas umas pelas outras do que pela superfície da placa, onde há um filme de gordura não umedecido pela água, e em uma mesa limpa a atração das moléculas de água para as moléculas de a superfície da mesa é mais alta do que a atração das moléculas de água umas pelas outras. Como resultado, a poça se espalha.

Esse fenômeno também está relacionado à física dos líquidos e à tensão superficial. Como você sabe, uma bolha de sabão ou gotículas de líquido têm um formato esférico devido às forças de tensão superficial.

Em uma gota, as moléculas líquidas são atraídas umas pelas outras com mais força do que as moléculas de gás e tendem para o interior da gota, reduzindo sua área de superfície. Mas, se houver uma superfície sólida umedecida, então uma parte da gota ao contato é esticada ao longo dela, porque as moléculas do sólido atraem as moléculas do líquido, e essa força excede a força de atração entre as moléculas do líquido.

O grau de umedecimento e espalhamento sobre uma superfície sólida dependerá de qual força é maior - a força de atração das moléculas de um líquido e as moléculas de um sólido entre si ou a força de atração das moléculas dentro de um líquido.

Desde 1938, esse fenômeno físico tem sido amplamente utilizado na indústria, na produção de utensílios domésticos, quando o material de teflon (politetrafluoroetileno) era sintetizado no laboratório da DuPont.

Suas propriedades são utilizadas não apenas na fabricação de panelas antiaderentes, mas também na fabricação de tecidos e revestimentos impermeáveis e hidrorepelentes para roupas e sapatos. O teflon é reconhecido pelo Guinness Book of Records como a substância mais escorregadia do mundo. Possui baixíssima tensão superficial e aderência (aderência), não é umedecido com água, graxa ou muitos solventes orgânicos.

7. Condutividade térmica

Um dos fenômenos mais comuns que podemos observar na cozinha é o aquecimento de uma chaleira ou água em uma panela. A condutividade térmica é a transferência de calor através do movimento das partículas quando há uma diferença (gradiente) de temperatura. Entre os tipos de condutividade térmica, também existe a convecção.

No caso de substâncias idênticas, a condutividade térmica dos líquidos é inferior à dos sólidos e superior à dos gases. A condutividade térmica dos gases e metais aumenta com o aumento da temperatura e a dos líquidos diminui. Estamos constantemente perante a convecção, quer mexamos uma sopa ou chá com uma colher, quer abramos uma janela, ou abrimos a ventilação para ventilar a cozinha.

Convecção - do latim convectiō (transferência) - um tipo de transferência de calor quando a energia interna de um gás ou líquido é transferida por jatos e correntes. Faça a distinção entre convecção natural e forçada. No primeiro caso, camadas de líquido ou ar são elas mesmas misturadas quando aquecidas ou resfriadas. E no segundo caso, ocorre a mistura mecânica de um líquido ou gás - com colher, leque ou de outra forma.

8. Radiação eletromagnética

Um forno de micro-ondas às vezes é chamado de forno de micro-ondas ou forno de micro-ondas. O elemento principal de todo forno de micro-ondas é um magnetron, que converte energia elétrica em radiação eletromagnética de micro-ondas com uma frequência de até 2,45 gigahertz (GHz). A radiação aquece os alimentos ao interagir com suas moléculas.

Os produtos contêm moléculas dipolares contendo cargas elétricas positivas e negativas em suas partes opostas.

Estas são moléculas de gordura, açúcar, mas a maioria de todas as moléculas de dipolo estão na água, que é encontrada em quase todos os produtos. O campo de microondas, mudando constantemente de direção, faz com que as moléculas vibrem com alta frequência, que se alinham ao longo das linhas de força de modo que todas as partes carregadas positivas das moléculas "olhem" em uma direção ou outra. O atrito molecular surge, a energia é liberada, o que aquece a comida.

9. Indução

Na cozinha, é possível encontrar cada vez mais fogões de indução, que se baseiam neste fenômeno. O físico inglês Michael Faraday descobriu a indução eletromagnética em 1831 e, desde então, é impossível imaginar nossa vida sem ela.

Faraday descobriu a ocorrência de uma corrente elétrica em malha fechada devido a uma mudança no fluxo magnético que passa por esta malha. Uma experiência escolar é conhecida quando um ímã plano se move dentro de um circuito em forma de espiral de um fio (solenóide) e uma corrente elétrica aparece nele. Há também um processo reverso - uma corrente elétrica alternada em um solenóide (bobina) cria um campo magnético alternado.

Um fogão de indução moderno funciona com o mesmo princípio. Sob um painel de aquecimento vitrocerâmico (neutro a oscilações eletromagnéticas) de tal fogão, há uma bobina de indução através da qual uma corrente elétrica flui com uma frequência de 20-60 kHz, criando um campo magnético alternado que induz correntes parasitas em uma camada fina (camada de pele) do fundo de um prato de metal.

A resistência elétrica aquece os pratos. Essas correntes não são mais perigosas do que pratos quentes em fogões comuns. Os utensílios de cozinha devem ser de aço ou ferro fundido com propriedades ferromagnéticas (atraem um ímã).

10. Refração da luz

O ângulo de incidência da luz é igual ao ângulo de reflexão, e a propagação da luz natural ou da luz das lâmpadas é explicada por uma natureza dupla de partícula de onda: por um lado, são ondas eletromagnéticas e, por outro, partículas-fótons, que se movem na velocidade máxima possível no Universo.

Na cozinha, você pode observar um fenômeno óptico como a refração da luz. Por exemplo, quando há um vaso transparente com flores na mesa da cozinha, os caules na água parecem se deslocar no limite da superfície da água em relação à sua continuação fora do líquido. O fato é que a água, como uma lente, refrata os raios de luz refletidos das hastes do vaso.

Algo semelhante é observado em um copo de chá transparente, no qual uma colher é mergulhada. Você também pode ver uma imagem distorcida e ampliada de feijões ou cereais no fundo de uma panela funda de água limpa.