Nous apprenons la physique et enseignons aux enfants sans quitter la cuisine

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Nous passons 1 à 2 heures dans la cuisine chaque jour. Quelqu'un de moins, quelqu'un de plus. Cela étant dit, nous pensons rarement aux phénomènes physiques lorsque nous préparons le petit-déjeuner, le déjeuner ou le dîner. Mais il ne peut y avoir de plus grande concentration d'entre eux dans les conditions quotidiennes que dans la cuisine, dans l'appartement. Une bonne occasion d'expliquer la physique aux enfants !

1. Diffusion

Nous sommes constamment confrontés à ce phénomène en cuisine. Son nom est dérivé du latin diffusio - interaction, dispersion, distribution.

C'est le processus de pénétration mutuelle de molécules ou d'atomes de deux substances adjacentes. Le taux de diffusion est proportionnel à la section transversale du corps (volume) et à la différence de concentrations, de températures des substances mélangées. S'il y a une différence de température, il définit la direction de propagation (gradient) - du chaud au froid. En conséquence, un alignement spontané des concentrations de molécules ou d'atomes se produit.

Ce phénomène peut être observé dans la cuisine lorsque les odeurs se propagent. Grâce à la diffusion des gaz, assis dans une autre pièce, on peut comprendre ce qu'est la cuisson. Comme vous le savez, le gaz naturel est inodore et un additif lui est ajouté pour faciliter la détection des fuites de gaz domestique.

Un odorant tel que l'éthyl mercaptan ajoute une odeur piquante. Si le brûleur ne s'allume pas la première fois, nous pouvons sentir une odeur spécifique, que nous connaissons depuis l'enfance comme l'odeur du gaz domestique.

Et si vous jetez des grains de thé ou un sachet de thé dans de l'eau bouillante et ne remuez pas, vous pouvez voir comment l'infusion de thé se répand dans le volume d'eau pure.

C'est la diffusion des liquides. Un exemple de diffusion dans un solide serait le salage de tomate, de concombre, de champignon ou de chou. Les cristaux de sel dans l'eau se décomposent en ions Na et Cl qui, se déplaçant de manière chaotique, pénètrent entre les molécules de substances entrant dans la composition des légumes ou des champignons.

2. Changement d'état d'agrégation

Peu d'entre nous ont remarqué que dans un verre d'eau laissé, après quelques jours, la même partie de l'eau s'évapore à température ambiante que lors de l'ébullition pendant 1-2 minutes. Et lorsque nous congelons de la nourriture ou de l'eau pour faire des glaçons dans le réfrigérateur, nous ne pensons pas à la façon dont cela se produit.

Pendant ce temps, ces phénomènes de cuisine les plus courants et les plus courants s'expliquent facilement. Un liquide a un état intermédiaire entre les solides et les gaz.

À des températures autres que l'ébullition ou la congélation, les forces d'attraction entre les molécules d'un liquide ne sont pas aussi fortes ou faibles que dans les solides et les gaz. Ainsi, par exemple, ne recevant que de l'énergie (provenant des rayons du soleil, molécules d'air à température ambiante), les molécules liquides de la surface ouverte passent progressivement en phase gazeuse, créant une pression de vapeur au-dessus de la surface liquide.

Le taux d'évaporation augmente avec une augmentation de la surface du liquide, une augmentation de la température et une diminution de la pression externe. Si la température augmente, la pression de vapeur de ce liquide atteint la pression externe. La température à laquelle cela se produit est appelée le point d'ébullition. Le point d'ébullition diminue avec la diminution de la pression externe. Par conséquent, dans les zones montagneuses, l'eau bout plus rapidement.

A l'inverse, lorsque la température baisse, les molécules d'eau perdent leur énergie cinétique au niveau des forces d'attraction entre elles. Ils ne se déplacent plus de manière chaotique, ce qui permet la formation d'un réseau cristallin comme celui des solides. La température de 0°C à laquelle cela se produit est appelée le point de congélation de l'eau.

Lorsqu'elle est gelée, l'eau se dilate. Beaucoup de gens pouvaient se familiariser avec ce phénomène lorsqu'ils mettaient une bouteille en plastique avec une boisson dans le congélateur pour un refroidissement rapide et l'oubliaient, puis la bouteille éclatait. Lorsqu'elle est refroidie à une température de 4 ° C, une augmentation de la densité de l'eau est d'abord observée, à laquelle sa densité maximale et son volume minimal sont atteints. Ensuite, à des températures de 4 à 0 ° C, un réarrangement des liaisons dans la molécule d'eau se produit et sa structure devient moins dense.

A une température de 0°C, la phase liquide de l'eau se transforme en solide. Une fois que l'eau a complètement gelé et s'est transformée en glace, son volume augmente de 8, 4%, ce qui conduit à l'éclatement de la bouteille en plastique. La teneur en liquide de nombreux produits est faible, de sorte qu'ils n'augmentent pas aussi sensiblement en volume lorsqu'ils sont congelés.

3. Absorption et adsorption

Ces deux phénomènes presque indissociables, appelés du latin sorbeo (absorber), s'observent par exemple lors du chauffage de l'eau dans une bouilloire ou une casserole. Un gaz qui n'agit pas chimiquement sur un liquide peut néanmoins être absorbé par celui-ci au contact de celui-ci. Ce phénomène est appelé absorption.

Lorsque les gaz sont absorbés par des corps solides à grains fins ou poreux, la plupart d'entre eux s'accumulent de manière dense et sont retenus à la surface des pores ou des grains et ne sont pas répartis dans tout le volume. Dans ce cas, le processus est appelé adsorption. Ces phénomènes peuvent être observés lors de l'ébullition de l'eau - des bulles se séparent des parois d'une casserole ou d'une bouilloire lorsqu'elles sont chauffées.

L'air libéré par l'eau contient 63 % d'azote et 36 % d'oxygène. En général, l'air atmosphérique contient 78 % d'azote et 21 % d'oxygène.

Le sel de table dans un récipient non couvert peut devenir humide en raison de ses propriétés hygroscopiques - l'absorption de la vapeur d'eau de l'air. Et le bicarbonate de soude agit comme un adsorbant lorsqu'il est placé au réfrigérateur pour éliminer les odeurs.

4. Manifestation de la loi d'Archimède

Lorsque nous sommes prêts à cuire le poulet, nous remplissons la casserole d'eau environ à moitié ou aux, selon la taille du poulet. En plongeant la carcasse dans une marmite d'eau, on remarque que le poids du poulet dans l'eau est sensiblement réduit, et l'eau monte jusqu'aux bords de la marmite.

Ce phénomène s'explique par la poussée d'Archimède ou loi d'Archimède. Dans ce cas, une force de poussée agit sur un corps immergé dans un liquide, égal au poids du liquide dans le volume de la partie immergée du corps. Cette force s'appelle la force d'Archimède, de même que la loi elle-même, qui explique ce phénomène.

5. Tension superficielle

Beaucoup de gens se souviennent des expériences avec des films de liquides, qui ont été montrées dans les cours de physique à l'école. Un petit cadre métallique avec un côté mobile a été plongé dans de l'eau savonneuse puis retiré. Les forces de tension superficielle dans le film formé le long du périmètre ont soulevé la partie mobile inférieure du cadre. Pour le maintenir immobile, un poids y a été suspendu lorsque l'expérience a été répétée.

Ce phénomène peut être observé dans une passoire - après utilisation, de l'eau reste dans les trous au fond de ces ustensiles de cuisine. Le même phénomène peut être observé après le lavage des fourches - il y a aussi des traînées d'eau sur la surface interne entre certaines des dents.

La physique des liquides explique ce phénomène de la manière suivante: les molécules liquides sont si proches les unes des autres que les forces d'attraction entre elles créent une tension superficielle dans le plan de la surface libre. Si la force d'attraction des molécules d'eau du film liquide est plus faible que la force d'attraction à la surface de la passoire, alors le film d'eau se brise.

De plus, les forces de tension superficielle sont perceptibles lorsque nous versons des céréales ou des pois, des haricots dans une casserole avec de l'eau, ou ajoutons des grains ronds de poivre. Certains grains resteront à la surface de l'eau, tandis que la plupart couleront au fond sous le poids du reste. Si vous appuyez légèrement sur les grains flottants avec le bout de votre doigt ou d'une cuillère, ils surmonteront la tension superficielle de l'eau et couleront au fond.

6. Mouillage et étalement

Le liquide renversé peut former de petites taches sur un poêle enduit de graisse et une seule flaque d'eau sur la table. Le fait est que les molécules liquides dans le premier cas sont plus attirées les unes vers les autres qu'à la surface de la plaque, où il y a un film gras non mouillé par l'eau, et sur une table propre l'attraction des molécules d'eau vers les molécules de la surface de la table est plus élevée que l'attraction des molécules d'eau entre elles. En conséquence, la flaque d'eau se propage.

Ce phénomène est également lié à la physique des liquides et est lié à la tension superficielle. Comme vous le savez, une bulle de savon ou des gouttelettes de liquide ont une forme sphérique en raison des forces de tension superficielle.

Dans une gouttelette, les molécules de liquide sont attirées les unes vers les autres plus fortement que les molécules de gaz et tendent vers l'intérieur de la gouttelette de liquide, réduisant sa surface. Mais, s'il y a une surface mouillée solide, alors une partie de la goutte au contact est étirée le long de celle-ci, car les molécules du solide attirent les molécules du liquide, et cette force dépasse la force d'attraction entre les molécules du liquide.

Le degré de mouillage et d'étalement sur une surface solide dépendra de la force la plus élevée - la force d'attraction des molécules d'un liquide et des molécules d'un solide entre elles ou la force d'attraction des molécules à l'intérieur d'un liquide.

Depuis 1938, ce phénomène physique a été largement utilisé dans l'industrie, dans la production d'articles ménagers, lorsque le matériau Teflon (polytétrafluoroéthylène) a été synthétisé dans le laboratoire DuPont.

Ses propriétés sont utilisées non seulement dans la fabrication d'ustensiles de cuisine antiadhésifs, mais également dans la fabrication de tissus et de revêtements imperméables et hydrofuges pour vêtements et chaussures. Le téflon est reconnu par le livre Guinness des records comme la substance la plus glissante au monde. Il a une tension superficielle et une adhérence (collage) très faibles, il n'est pas mouillé avec de l'eau, de la graisse ou de nombreux solvants organiques.

7. Conductivité thermique

L'un des phénomènes les plus courants en cuisine que l'on puisse observer est le chauffage d'une bouilloire ou de l'eau dans une casserole. La conductivité thermique est le transfert de chaleur par le mouvement des particules lorsqu'il existe une différence (gradient) de température. Parmi les types de conductivité thermique, il y a aussi la convection.

Dans le cas de substances identiques, la conductivité thermique des liquides est inférieure à celle des solides et supérieure à celle des gaz. La conductivité thermique des gaz et des métaux augmente avec l'augmentation de la température et celle des liquides diminue. Nous sommes constamment confrontés à la convection, que nous remuions de la soupe ou du thé avec une cuillère, ou que nous ouvrions une fenêtre, ou que nous allumions la ventilation pour aérer la cuisine.

Convection - du latin convectiō (transfert) - un type de transfert de chaleur lorsque l'énergie interne d'un gaz ou d'un liquide est transférée par des jets et des courants. Distinguer convection naturelle et forcée. Dans le premier cas, des couches de liquide ou d'air sont elles-mêmes mélangées lorsqu'elles sont chauffées ou refroidies. Et dans le second cas, il y a un mélange mécanique d'un liquide ou d'un gaz - avec une cuillère, un ventilateur ou d'une autre manière.

8. Rayonnement électromagnétique

Un four à micro-ondes est parfois appelé four à micro-ondes ou four à micro-ondes. L'élément principal de chaque four à micro-ondes est un magnétron, qui convertit l'énergie électrique en rayonnement électromagnétique micro-ondes avec une fréquence allant jusqu'à 2,45 gigahertz (GHz). Le rayonnement chauffe les aliments en interagissant avec ses molécules.

Les produits contiennent des molécules dipolaires contenant des charges électriques positives et négatives sur leurs parties opposées.

Ce sont des molécules de graisses, de sucre, mais la plupart des molécules dipolaires se trouvent dans l'eau, que l'on trouve dans presque tous les produits. Le champ micro-ondes, changeant constamment de direction, fait vibrer les molécules à haute fréquence, qui s'alignent le long des lignes de force de sorte que toutes les parties chargées positivement des molécules "regardent" dans un sens ou dans l'autre. Des frictions moléculaires se produisent, de l'énergie est libérée, ce qui chauffe les aliments.

9. Intronisation

Dans la cuisine, on trouve de plus en plus de cuisinières à induction, qui reposent sur ce phénomène. Le physicien anglais Michael Faraday a découvert l'induction électromagnétique en 1831 et depuis lors, il est impossible d'imaginer notre vie sans elle.

Faraday a découvert l'apparition d'un courant électrique dans une boucle fermée en raison d'une modification du flux magnétique traversant cette boucle. Une expérience scolaire est connue lorsqu'un aimant plat se déplace à l'intérieur d'un circuit en forme de spirale d'un fil (solénoïde) et qu'un courant électrique y apparaît. Il existe également un processus inverse - un courant électrique alternatif dans un solénoïde (bobine) crée un champ magnétique alternatif.

Une cuisinière à induction moderne fonctionne sur le même principe. Sous un panneau chauffant en vitrocéramique (neutre aux oscillations électromagnétiques) d'un tel poêle se trouve une bobine d'induction à travers laquelle circule un courant électrique d'une fréquence de 20 à 60 kHz, créant un champ magnétique alternatif qui induit des courants de Foucault dans une couche mince (couche de peau) du fond d'un plat en métal.

La résistance électrique chauffe la vaisselle. Ces courants ne sont pas plus dangereux que les plats chauffés au rouge sur des poêles ordinaires. Les ustensiles de cuisine doivent être en acier ou en fonte avec des propriétés ferromagnétiques (attirer un aimant).

10. Réfraction de la lumière

L'angle d'incidence de la lumière est égal à l'angle de réflexion, et la propagation de la lumière naturelle ou de la lumière des lampes s'explique par une double nature onde-particule: ce sont d'une part les ondes électromagnétiques, et d'autre part, particules-photons, qui se déplacent à la vitesse maximale possible dans l'Univers.

Dans la cuisine, vous pouvez observer un phénomène optique tel que la réfraction de la lumière. Par exemple, lorsqu'il y a un vase transparent avec des fleurs sur la table de la cuisine, les tiges dans l'eau semblent se déplacer à la limite de la surface de l'eau par rapport à leur prolongement en dehors du liquide. Le fait est que l'eau, comme une lentille, réfracte les rayons de lumière réfléchis par les tiges dans le vase.

Une chose similaire est observée dans un verre de thé transparent, dans lequel une cuillère est trempée. Vous pouvez également voir une image déformée et agrandie de haricots ou de céréales au fond d'un pot profond d'eau claire.