Aprendemos física y enseñamos a los niños sin salir de la cocina

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

Pasamos 1-2 horas en la cocina todos los días. Alguien menos, alguien más. Dicho esto, rara vez pensamos en los fenómenos físicos cuando preparamos el desayuno, el almuerzo o la cena. Pero no puede haber mayor concentración de ellos en las condiciones cotidianas que en la cocina, en el apartamento. ¡Una buena oportunidad para explicar la física a los niños!

1. Difusión

Constantemente nos enfrentamos a este fenómeno en la cocina. Su nombre se deriva del latín diffusio - interacción, dispersión, distribución.

Este es el proceso de penetración mutua de moléculas o átomos de dos sustancias contiguas. La velocidad de difusión es proporcional al área de la sección transversal del cuerpo (volumen) y a la diferencia de concentraciones, temperaturas de las sustancias mezcladas. Si hay una diferencia de temperatura, establece la dirección de propagación (gradiente), de caliente a frío. Como resultado, se produce un alineamiento espontáneo de las concentraciones de moléculas o átomos.

Este fenómeno se puede observar en la cocina cuando los olores se propagan. Gracias a la difusión de gases, sentado en otra habitación, puedes entender lo que se está cocinando. Como saben, el gas natural es inodoro y se le añade un aditivo para facilitar la detección de fugas de gas doméstico.

Un olor como el etilmercaptano agrega un olor acre. Si el quemador no se enciende la primera vez, podemos oler un olor específico, que conocemos desde la infancia como el olor a gas doméstico.

Y si arrojas granos de té o una bolsita de té en agua hirviendo y no revuelves, puedes ver cómo la infusión de té se esparce en el volumen de agua pura.

Esta es la difusión de líquidos. Un ejemplo de difusión en un sólido sería la salazón de tomate, pepino, champiñón o repollo. Los cristales de sal en el agua se descomponen en iones de Na y Cl que, moviéndose caóticamente, penetran entre las moléculas de sustancias en la composición de vegetales u hongos.

2. Cambio de estado de agregación

Pocos de nosotros notamos que en un vaso de agua dejado, después de unos días, la misma parte del agua se evapora a temperatura ambiente como cuando se hierve durante 1-2 minutos. Y cuando congelamos comida o agua para hacer cubitos de hielo en el refrigerador, no pensamos en cómo sucede esto.

Mientras tanto, estos fenómenos de cocina más comunes y comunes se explican fácilmente. Un líquido tiene un estado intermedio entre sólidos y gases.

A temperaturas distintas a la de ebullición o congelación, las fuerzas de atracción entre las moléculas de un líquido no son tan fuertes o débiles como en los sólidos y los gases. Por lo tanto, por ejemplo, al recibir solo energía (de los rayos del sol, moléculas de aire a temperatura ambiente), las moléculas de líquido de la superficie abierta pasan gradualmente a la fase gaseosa, creando una presión de vapor sobre la superficie del líquido.

La tasa de evaporación aumenta con un aumento en el área de la superficie del líquido, un aumento de la temperatura y una disminución de la presión externa. Si se aumenta la temperatura, entonces la presión de vapor de este líquido alcanza la presión externa. La temperatura a la que esto ocurre se llama punto de ebullición. El punto de ebullición disminuye al disminuir la presión externa. Por tanto, en las zonas montañosas, el agua hierve más rápido.

Por el contrario, cuando la temperatura desciende, las moléculas de agua pierden su energía cinética al nivel de las fuerzas de atracción entre ellas. Ya no se mueven caóticamente, lo que permite la formación de una red cristalina como la de los sólidos. La temperatura de 0 ° C a la que esto ocurre se denomina punto de congelación del agua.

Cuando se congela, el agua se expande. Muchas personas pudieron familiarizarse con este fenómeno cuando pusieron una botella de plástico con una bebida en el congelador para enfriarla rápidamente y se olvidaron de ella, y luego la botella estalló. Cuando se enfría a una temperatura de 4 ° C, primero se observa un aumento en la densidad del agua, a la que se alcanza su densidad máxima y su volumen mínimo. Luego, a temperaturas de 4 a 0 ° C, se produce un reordenamiento de los enlaces en la molécula de agua y su estructura se vuelve menos densa.

A una temperatura de 0 ° C, la fase líquida del agua cambia a sólida. Después de que el agua se congela por completo y se convierte en hielo, su volumen crece en un 8, 4%, lo que conduce a la explosión de la botella de plástico. El contenido de líquido en muchos productos es bajo, por lo que no aumentan de volumen tan notablemente cuando se congelan.

3. Absorción y adsorción

Estos dos fenómenos casi inseparables, llamados del latín sorbeo (absorber), se observan, por ejemplo, al calentar agua en una tetera o cacerola. No obstante, un gas que no actúa químicamente sobre un líquido puede ser absorbido por éste al entrar en contacto con él. Este fenómeno se llama absorción.

Cuando los gases son absorbidos por cuerpos sólidos de grano fino o poroso, la mayoría de ellos se acumulan densamente y se retienen en la superficie de los poros o granos y no se distribuyen por todo el volumen. En este caso, el proceso se llama adsorción. Estos fenómenos se pueden observar al hervir agua: las burbujas se separan de las paredes de una cacerola o hervidor cuando se calienta.

El aire liberado por el agua contiene un 63% de nitrógeno y un 36% de oxígeno. En general, el aire atmosférico contiene 78% de nitrógeno y 21% de oxígeno.

La sal de mesa en un recipiente descubierto puede mojarse debido a sus propiedades higroscópicas: la absorción de vapor de agua del aire. Y el bicarbonato de sodio actúa como adsorbente cuando se coloca en el refrigerador para eliminar los olores.

4. Manifestación de la ley de Arquímedes

Cuando estemos listos para cocinar el pollo, llenamos la olla con agua aproximadamente la mitad o ¾, dependiendo del tamaño del pollo. Al sumergir la canal en una olla con agua, notamos que el peso del pollo en el agua se reduce notablemente y el agua sube hasta los bordes de la olla.

Este fenómeno se explica por la fuerza de flotabilidad o ley de Arquímedes. En este caso, una fuerza de flotación actúa sobre un cuerpo sumergido en un líquido, igual al peso del líquido en el volumen de la parte sumergida del cuerpo. Esta fuerza se llama la fuerza de Arquímedes, al igual que la ley misma, que explica este fenómeno.

5. Tensión superficial

Mucha gente recuerda los experimentos con películas de líquidos, que se mostraron en lecciones de física en la escuela. Un pequeño marco de alambre con un lado móvil se sumergió en agua jabonosa y luego se sacó. Las fuerzas de tensión superficial en la película formadas a lo largo del perímetro levantaron la parte móvil inferior del marco. Para mantenerlo inmóvil, se le suspendió un peso cuando se repitió el experimento.

Este fenómeno se puede observar en un colador: después de su uso, el agua permanece en los orificios en la parte inferior de estos utensilios de cocina. Se puede observar el mismo fenómeno después de lavar las horquillas: también hay rayas de agua en la superficie interna entre algunos de los dientes.

La física de los líquidos explica este fenómeno de la siguiente manera: las moléculas de líquido están tan cerca unas de otras que las fuerzas de atracción entre ellas crean tensión superficial en el plano de la superficie libre. Si la fuerza de atracción de las moléculas de agua de la película líquida es más débil que la fuerza de atracción hacia la superficie del colador, la película de agua se rompe.

Además, las fuerzas de la tensión superficial se notan cuando vertimos cereales o guisantes, frijoles en una cacerola con agua o agregamos granos redondos de pimienta. Algunos granos permanecerán en la superficie del agua, mientras que la mayoría se hundirá hasta el fondo bajo el peso del resto. Si presiona ligeramente los granos flotantes con la punta del dedo o una cuchara, superarán la tensión superficial del agua y se hundirán hasta el fondo.

6. Mojar y esparcir

El líquido derramado puede formar pequeñas manchas en una estufa cubierta de grasa y un solo charco en la mesa. El caso es que las moléculas líquidas en el primer caso se atraen más entre sí que hacia la superficie del plato, donde hay una película grasa no mojada por el agua, y sobre una mesa limpia la atracción de las moléculas de agua hacia las moléculas de la superficie de la mesa es más alta que la atracción de las moléculas de agua entre sí. Como resultado, el charco se extiende.

Este fenómeno también está relacionado con la física de los líquidos y está relacionado con la tensión superficial. Como sabe, una pompa de jabón o gotas de líquido tienen una forma esférica debido a las fuerzas de tensión superficial.

En una gota, las moléculas de líquido se atraen entre sí con más fuerza que las moléculas de gas y tienden al interior de la gota de líquido, reduciendo su área de superficie. Pero, si hay una superficie sólida mojada, entonces una parte de la gota al entrar en contacto se estira a lo largo de ella, porque las moléculas del sólido atraen las moléculas del líquido, y esta fuerza excede la fuerza de atracción entre las moléculas del líquido..

El grado de humectación y propagación sobre una superficie sólida dependerá de qué fuerza sea mayor: la fuerza de atracción de las moléculas de un líquido y las moléculas de un sólido entre sí o la fuerza de atracción de las moléculas dentro de un líquido.

Desde 1938, este fenómeno físico ha sido ampliamente utilizado en la industria, en la producción de artículos para el hogar, cuando se sintetizó material de teflón (politetrafluoroetileno) en el laboratorio de DuPont.

Sus propiedades se utilizan no solo en la fabricación de utensilios de cocina antiadherentes, sino también en la fabricación de tejidos y revestimientos impermeables y repelentes al agua para ropa y calzado. El teflón está reconocido por el Libro Guinness de los Récords como la sustancia más resbaladiza del mundo. Tiene muy baja tensión superficial y adherencia (adherencia), no se moja con agua, grasa o muchos disolventes orgánicos.

7. Conductividad térmica

Uno de los fenómenos más comunes en la cocina que podemos observar es el calentamiento de una tetera o agua en un cazo. La conductividad térmica es la transferencia de calor a través del movimiento de partículas cuando hay una diferencia (gradiente) de temperatura. Entre los tipos de conductividad térmica, también se encuentra la convección.

En el caso de sustancias idénticas, la conductividad térmica de los líquidos es menor que la de los sólidos y mayor que la de los gases. La conductividad térmica de los gases y metales aumenta al aumentar la temperatura y la de los líquidos disminuye. Nos enfrentamos constantemente a la convección, ya sea que revolvamos la sopa o el té con una cuchara, o que abramos una ventana o que encendamos la ventilación para ventilar la cocina.

Convección - del latín convectiō (transferencia) - un tipo de transferencia de calor cuando la energía interna de un gas o líquido se transfiere mediante chorros y corrientes. Distinga entre convección natural y forzada. En el primer caso, las propias capas de líquido o aire se mezclan cuando se calientan o enfrían. Y en el segundo caso, hay una mezcla mecánica de un líquido o gas, con una cuchara, un ventilador o de otra manera.

8. Radiación electromagnética

Un horno de microondas a veces se llama horno de microondas u horno de microondas. El elemento principal de cada horno de microondas es un magnetrón, que convierte la energía eléctrica en radiación electromagnética de microondas con una frecuencia de hasta 2,45 gigahercios (GHz). La radiación calienta los alimentos al interactuar con sus moléculas.

Los productos contienen moléculas dipolo que contienen cargas eléctricas positivas y negativas en sus partes opuestas.

Estas son moléculas de grasas, azúcar, pero la mayoría de las moléculas de dipolos se encuentran en el agua, que se encuentra en casi cualquier producto. El campo de microondas, que cambia constantemente de dirección, hace que las moléculas vibren con alta frecuencia, que se alinean a lo largo de las líneas de fuerza para que todas las partes cargadas positivamente de las moléculas "miren" en una dirección u otra. Surge la fricción molecular, se libera energía que calienta la comida.

9. Inducción

En la cocina, cada vez se pueden encontrar más cocinas de inducción, que se basan en este fenómeno. El físico inglés Michael Faraday descubrió la inducción electromagnética en 1831 y desde entonces ha sido imposible imaginar nuestra vida sin ella.

Faraday descubrió la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado debido a un cambio en el flujo magnético que pasa a través de este circuito. Se conoce una experiencia escolar cuando un imán plano se mueve dentro de un circuito en forma de espiral de un cable (solenoide) y aparece una corriente eléctrica en él. También hay un proceso inverso: una corriente eléctrica alterna en un solenoide (bobina) crea un campo magnético alterno.

Una cocina de inducción moderna funciona según el mismo principio. Debajo de un panel de calefacción de vitrocerámica (oscilaciones neutrales a electromagnéticas) de dicha estufa hay una bobina de inducción a través de la cual fluye una corriente eléctrica con una frecuencia de 20-60 kHz, creando un campo magnético alterno que induce corrientes parásitas en una capa delgada (capa de piel) del fondo de un plato de metal.

La resistencia eléctrica calienta los platos. Estas corrientes no son más peligrosas que los platos al rojo vivo en estufas ordinarias. Los utensilios de cocina deben ser de acero o hierro fundido con propiedades ferromagnéticas (atraer un imán).

10. Refracción de la luz

El ángulo de incidencia de la luz es igual al ángulo de reflexión, y la propagación de la luz natural o la luz de las lámparas se explica por una naturaleza dual, onda-partícula: por un lado, son ondas electromagnéticas, y por otro, partículas-fotones, que se mueven a la máxima velocidad posible en el Universo.

En la cocina, puede observar un fenómeno óptico como la refracción de la luz. Por ejemplo, cuando hay un jarrón transparente con flores en la mesa de la cocina, los tallos en el agua parecen desplazarse en el límite de la superficie del agua en relación con su continuación fuera del líquido. El hecho es que el agua, como una lente, refracta los rayos de luz reflejados por los tallos del jarrón.

Algo similar se observa en un vaso de té transparente, en el que se sumerge una cuchara. También puede ver una imagen distorsionada y ampliada de frijoles o cereales en el fondo de una olla profunda de agua clara.