Исследования физиков о поведении частиц жидкости
Ежедневно мы проводим на кухне 1-2 часа. Кто-то меньше, кто-то больше. При этом мы редко задумываемся о физических явлениях, когда готовим завтрак, обед или ужин. А ведь большей их концентрации в бытовых условиях, чем на кухне, в квартире и быть не может. Поэтому опыты по физике на кухне — хорошая возможность объяснить законы этой науки детям!
Графики и диффузия
График а — это холодная система, когда пар практически полностью отсутствует, а частицы располагаются в узлах кристаллической решетки. График b — это достаточно горячая жидкость, окруженная равновесным паром, профиль плотности которой изображен на рис. c.
Проникновение частиц одного вещества между частицами другого называется диффузией. Благодаря этому явлению мы, например, можем из комнаты почувствовать приятный запах кофе, который варят на кухне, потому что молекулы напитка быстро распространяются, смешиваясь с молекулами воздуха. Частный случай этого процесса — самодиффузия — происходит, когда смешиваются частицы одного вещества.
Исследования российских физиков
Российские физики из Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (Москва) провели теоретические исследования поведения частиц жидкости, находящейся в равновесии со своим насыщенным паром. Чтобы сделать свои результаты и выводы более общими, физики также рассмотрели модель этана.
В своей работе акцент ученые делали на измерении коэффициента диффузии. Этот показатель — мера скорости перемещения частиц и их проникновения в пространство друг друга. Скорость диффузии зависит от температуры: чем она выше, тем больше скорость движения частиц изучаемой жидкости. Ученые обнаружили универсальную закономерность, которая позволила точно описать данное поведение для всех рассмотренных жидкостей.
Наука оказывает влияние на каждый аспект нашей жизни, включая ежедневные занятия на кухне. Понимание физических процессов, происходящих вокруг нас, помогает нам лучше осознавать окружающий мир и внедрять новые знания в повседневную жизнь.
Исследования в области физики жидкостей: новые перспективы
Ученые продолжают расширять свои знания в области физики жидкостей, исследуя связь коэффициента диффузии со спектрами возбуждения. Движение частиц в жидкости представляется как множество звуковых волн, наложенных друг на друга. Каждая жидкость имеет уникальный набор этих волн, названный спектром возбуждения, аналогичный отпечатку пальца у человека.
Изменения спектров возбуждения при ускорении роста диффузии
При увеличении температуры и равномерном росте скорости диффузии происходят изменения в спектрах возбуждения. Хотя сама жидкость остается неизменной, её спектры становятся более похожими на спектры газовых систем, где диффузия более сильна, чем на спектры кристаллов, где диффузионные процессы менее активны.
Развитие теории жидкостей и практическое применение
Хотя теории газов и твердых тел (кристаллов) достаточно развиты, единой теории жидкости пока нет. Российские ученые работают над разработкой такой теории, которая поможет лучше понять физические свойства жидкостей и предсказывать и управлять ими. Исследования в области связей спектров возбуждения жидкостей с их различными свойствами открывают новые перспективы для улучшения понимания и управления различными системами.
Практическое применение результатов исследований
Жидкости и газы играют важную роль в природе и технических системах. Умение моделировать эти системы помогает прогнозировать природные явления и оптимизировать работу технических систем для повышения их эффективности. Российские ученые разработали модели, которые могут сократить использование вычислительных ресурсов при моделировании различных процессов.
Если вы являетесь специалистом в области физики жидкостей и хотите поделиться своими исследованиями, заполните форму на сайте Российского научного фонда (РНФ). Новые открытия и разработки могут принести пользу как в фундаментальной науке, так и в практическом применении.
Исследования диффузии в жидкостях: новые открытия
Российские ученые провели теоретические исследования диффузии (перемешивания) в жидкости, находящейся в равновесии со своим насыщенным паром, на примере разных смоделированных веществ.
Универсальные закономерности
Науке давно известно, что, если нагревать систему, то скорость перемешивания частиц в ней возрастает. Но то, как именно это происходит, зависит от конкретного вещества и внешних условий (например, давления). В результате исследования ученые обнаружили универсальную для широкого класса веществ закономерность, которая приблизила их к разработке общей теории жидкостей.
Что такое диффузия?
Проникновение частиц одного вещества между частицами другого называется диффузией. Благодаря этому явлению мы можем из комнаты почувствовать приятный запах кофе, который варят на кухне, потому что молекулы напитка быстро распространяются, смешиваясь с молекулами воздуха.
Исследования и открытия
Российские физики из Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (Москва) провели теоретические исследования поведения частиц жидкости в равновесии со своим насыщенным паром. Чтобы сделать свои результаты более общими, они рассмотрели несколько моделей, включая модель этана.
Коэффициент диффузии
Ученые измерили коэффициент диффузии – меру скорости перемещения частиц и их проникновения в пространство друг друга. Выяснилось, что коэффициент диффузии в жидкости, находящейся в равновесии со своим паром, линейно зависит от температуры в большом диапазоне. Однако после определенной температуры происходит нелинейное увеличение скорости диффузии.
Выводы и перспективы
Ученым удалось обнаружить универсальную закономерность, которая описывает поведение жидкостей в условиях равновесия со своим паром. Эти открытия приближают к разработке общей теории жидкостей и позволяют лучше понять процессы, происходящие в жидкостях. Методы моделирования молекулярной динамики становятся все более важными для исследования жидкостей и их свойств.
Следует отметить, что представленная закономерность имеет большое значение для фундаментальной науки и может найти применение в различных технологиях и инженерных решениях.
Оригинальная статья может быть найдена [здесь](ссылка на источник).
Исследования в области физики жидкостей
На сегодняшний день существует развитые теории газов и твердых тел (кристаллов), однако единой теории жидкости до сих пор нет. Однако, российские ученые провели теоретические исследования диффузии в жидкости, находящейся в равновесии с насыщенным паром, смоделировав различные вещества.
Универсальный закон перемешивания веществ
Нагревая систему, скорость перемешивания частиц в ней возрастает. Ученые выявили универсальную закономерность для широкого класса веществ, что приблизило их к разработке общей теории жидкостей. Работа проводилась с поддержкой Российского научного фонда.
Диффузия: ключевое явление в физике жидкостей
Диффузия — процесс проникновения частиц одного вещества между частицами другого. Это явление позволяет нам ощущать запахи и распространяться веществам в жидком состоянии.
Самодиффузия и моделирование
Самодиффузия — это процесс перемешивания частиц одного вещества. Используя методы моделирования молекулярной динамики, ученые смогли значительно продвинуться в понимании процессов, происходящих в жидкостях.
Исследования в области физики жидкостей имеют большое значение, так как понимание их свойств позволяет не только прогнозировать, но и управлять ими. Результаты работ с поддержкой Российского научного фонда открывают новые перспективы для дальнейших исследований в данной области.
Российские физики из Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана (Москва) провели теоретические исследования поведения частиц жидкости, находящейся в равновесии со своим насыщенным паром. Это означает, что количество частиц, испаряющихся с поверхности жидкости и попадающих в нее из газа, примерно совпадает. Свои расчеты ученые провели на основе обобщенного потенциала Леннарда-Джонса, математической модели, которая достаточно точно описывает благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон), а также любые жидкости в состоянии, близком к критической точке, где плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара равны. Кроме того, чтобы сделать свои результаты и выводы более общими, физики рассмотрели также модель этана.
В своей работе основной акцент ученые делали на измерении коэффициента диффузии. Этот показатель — мера скорости перемещения частиц и их проникновения в пространство друг друга. Скорость диффузии зависит от температуры: чем она выше, тем больше скорость движения частиц изучаемой жидкости. Исследователи выяснили, что коэффициент диффузии в жидкости, которая находится в равновесии со своим паром, в достаточно большом диапазоне температур линейно зависит от температуры. Однако существует некоторая температура, после которой линейный участок сменяется на нелинейный: скорость роста диффузии с температурой существенно возрастает. Ученым удалось обнаружить простую универсальную закономерность (формулу), которая позволила точно описать данное поведение для всех рассмотренных жидкостей.
Также ученые более подробно изучили связь коэффициента диффузии со спектрами возбуждения. Движение частиц в жидкости (или в любой другой системе) можно представить как большое число звуковых волн, наложенных друг на друга. Для каждой жидкости существует свой уникальный набор этих «волн», который и называют спектром возбуждения. Это что-то вроде отпечатка пальца для человека. Однако исследователи обнаружили, что этот «отпечаток» изменяется, когда равномерный рост скорости диффузии при повышении температуры начинает ускоряться. Несмотря на то что сама жидкость остается прежней, ее спектры начинают больше напоминать спектры газовой системы, где диффузия сильна, чем спектры кристалла, где диффузионные процессы слабее.
«На сегодняшний момент хорошо развиты теории газов и твердых тел (кристаллов), а вот единой теории жидкости нет. Наши исследования — это еще один шаг в сторону разработки такой теории, которая позволит нам лучше понимать физические свойства жидкостей, а следовательно, даст возможность прогнозировать их и управлять ими. Одним из подходов к теории может быть исследование связей спектров возбуждения жидкостей с ее различными свойствами. Мы считаем, что представленные результаты откроют новые перспективы для дальнейших исследований в данном направлении для широкого спектра жидкостей — от простых атомарных и молекулярных до "жидкостей", образованных активными, или живыми (клеточными или бактериальными), частицами»,— рассказывает руководитель одного из проектов, поддержанных РНФ, Никита Крючков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника», доцент кафедры «Физика» и кафедры «Биомедицинские технические системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана.
При всей очевидно большой фундаментальной значимости работы российских физиков эти исследования могут быть полезны и на практике. Жидкости и газы окружают нас повсюду. Они играют важную роль в живой природе и различных технических системах. Сегодня очень важно уметь моделировать такие системы, так как это позволяет прогнозировать природные явления, например погоду, или оптимизировать работу различных технических систем с целью повышениях их эффективности — например, эффективность синтеза полезных веществ в различных био- или химреакторах. Такие расчеты могут требовать очень больших вычислительных мощностей, но они могут быть значительно уменьшены, если моделирование каких-то процессов можно заменить простыми, но достаточно точными моделями, одна из которых как раз и получена российскими учеными.
Использованы материалы статьи.
Статья рассматривает основные аспекты и принципы диффузии, включая определение скорости диффузии, факторы, влияющие на нее, закон Фика, связь со концентрацией и температурой, а также примеры диффузии в повседневной жизни и практическое применение.
О чем статья
Введение
Добро пожаловать на лекцию по физике! Сегодня мы будем говорить о скорости диффузии. Диффузия – это процесс перемещения частиц из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Скорость диффузии зависит от различных факторов, таких как концентрация, температура и свойства вещества. Мы рассмотрим закон Фика, который описывает связь между скоростью диффузии и концентрацией. Также мы рассмотрим примеры диффузии в повседневной жизни и практическое применение этого явления. Давайте начнем!
Нужна помощь в написании работы?
Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Определение скорости диффузии
Скорость диффузии – это физическая величина, которая описывает, с какой скоростью происходит перемешивание или распространение частиц вещества в пространстве. Диффузия происходит вследствие теплового движения частиц, которые перемещаются от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией.
Скорость диффузии зависит от различных факторов, таких как разность концентраций, температура, размер и форма частиц, а также свойства среды, в которой происходит диффузия.
Диффузия может происходить в различных средах, включая газы, жидкости и твердые тела. В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях – быстрее, чем в твердых телах.
Скорость диффузии может быть определена с помощью закона Фика, который устанавливает, что скорость диффузии пропорциональна разности концентраций и обратно пропорциональна квадратному корню времени.
Скорость диффузии имеет важное практическое применение в различных областях, таких как химия, физика, биология и инженерия. Например, в химических реакциях диффузия играет важную роль в перемешивании реагентов и продуктов, а в биологии – в процессе дыхания и обмена газами в организмах.
Факторы, влияющие на скорость диффузии
Скорость диффузии зависит от нескольких факторов, которые оказывают влияние на перемещение частиц вещества. Рассмотрим основные из них:
Разность концентраций
Одним из основных факторов, влияющих на скорость диффузии, является разность концентраций. Чем больше разница в концентрации между двумя областями, тем быстрее будет происходить перемещение частиц от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией. Это связано с тем, что частицы стремятся равномерно распределиться в пространстве.
Температура
Температура также оказывает влияние на скорость диффузии. При повышении температуры частицы вещества получают больше энергии и начинают двигаться быстрее. Это приводит к увеличению скорости диффузии. В обратном случае, при понижении температуры, скорость диффузии уменьшается.
Размер и форма частиц
Размер и форма частиц также влияют на скорость диффузии. Маленькие частицы имеют большую поверхность в сравнении с их объемом, что позволяет им быстрее перемещаться и диффундировать. Кроме того, форма частиц может создавать препятствия для их перемещения, что может замедлить скорость диффузии.
Свойства среды
Свойства среды, в которой происходит диффузия, также влияют на скорость этого процесса. Например, в газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях – быстрее, чем в твердых телах. Это связано с различиями в межмолекулярных взаимодействиях и подвижности частиц в разных средах.
Учитывая все эти факторы, можно предсказать и контролировать скорость диффузии в различных системах и условиях. Это имеет важное значение в научных и технических областях, где диффузия играет важную роль в различных процессах и явлениях.
Закон Фика и его формулировка
Закон Фика – это основной закон, описывающий процесс диффузии. Он был сформулирован английским физиком Джеймсом Фиком в середине XIX века. Закон Фика устанавливает связь между скоростью диффузии и разностью концентраций вещества.
Первый закон Фика
Первый закон Фика, также известный как закон Фика о диффузии, утверждает, что скорость диффузии пропорциональна градиенту концентрации вещества. Формулировка первого закона Фика выглядит следующим образом:
J = -D * ∇C
Знак минус перед произведением D и ∇C указывает на то, что поток диффузии направлен от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией.
Второй закон Фика
Второй закон Фика, также известный как закон Фика о проводимости, утверждает, что скорость диффузии пропорциональна второй производной концентрации вещества по координате. Формулировка второго закона Фика выглядит следующим образом:
∂C/∂t = D * ∇²C
Второй закон Фика позволяет описывать изменение концентрации вещества во времени и пространстве.
Закон Фика имеет широкое применение в различных областях, таких как химия, физика, биология и инженерия. Он позволяет предсказывать и контролировать процессы диффузии и является основой для разработки различных технологий и материалов.
Связь скорости диффузии с концентрацией и температурой
Скорость диффузии вещества зависит от его концентрации и температуры. Эти два фактора оказывают влияние на движение молекул и их способность перемещаться в пространстве.
Концентрация
Концентрация вещества определяет количество молекул этого вещества в единице объема. Чем выше концентрация, тем больше молекул, которые могут диффундировать. Поэтому, при повышении концентрации, скорость диффузии увеличивается. Это связано с тем, что большее количество молекул создает более интенсивное взаимодействие и сталкивается с меньшим сопротивлением при перемещении.
Однако, при достижении определенной концентрации, скорость диффузии может достичь предела, так как молекулы начинают взаимодействовать друг с другом и создавать барьеры для диффузии. Это явление называется насыщением диффузии.
Температура влияет на скорость диффузии путем изменения энергии молекул. При повышении температуры, молекулы получают больше энергии и начинают двигаться быстрее. Это увеличивает вероятность столкновений и перемещения молекул вещества.
Таким образом, при повышении температуры, скорость диффузии увеличивается. Это объясняется увеличением средней кинетической энергии молекул и ускорением их движения.
Однако, при очень высоких температурах, молекулы могут сталкиваться с большей силой и частотой, что может привести к образованию новых связей и изменению структуры вещества. В таких случаях, скорость диффузии может снижаться или изменяться нелинейно.
В целом, связь между скоростью диффузии, концентрацией и температурой может быть описана с помощью закона Фика и других математических моделей. Это позволяет ученым и инженерам предсказывать и контролировать процессы диффузии в различных системах и применять их в различных областях науки и технологии.
Примеры диффузии в повседневной жизни
Когда вы открываете флакон с ароматом или разливаете духи, ароматные молекулы начинают диффундировать в воздух. Они перемещаются от места с более высокой концентрацией (флакона или вашей кожи) к месту с более низкой концентрацией (воздуха в комнате). Это позволяет вам почувствовать запах аромата даже на расстоянии.
Распространение запаха еды
Когда вы готовите еду, запахи от нее начинают распространяться по всей кухне и даже за ее пределами. Это происходит благодаря диффузии молекул запаха в воздухе. Молекулы запаха перемещаются от места с более высокой концентрацией (еды) к месту с более низкой концентрацией (воздуха в кухне и других помещениях). Это позволяет вам почувствовать запах еды, даже если вы находитесь в другой комнате.
Распространение краски в воде
Когда вы добавляете краску в воду, она начинает распространяться и равномерно распределяться по всему объему воды. Это происходит благодаря диффузии молекул краски в воде. Молекулы краски перемещаются от места с более высокой концентрацией (область, где вы добавили краску) к месту с более низкой концентрацией (остальная часть воды). Это позволяет краске равномерно распределиться и окрасить всю воду в нужный цвет.
Распространение дыма
Когда вы курите или горит что-то, дым начинает распространяться в воздухе. Это происходит благодаря диффузии молекул дыма в воздухе. Молекулы дыма перемещаются от места с более высокой концентрацией (место, где горит сигарета или что-то горящее) к месту с более низкой концентрацией (воздух в комнате). Это позволяет дыму распространяться и заполнять пространство вокруг вас.
Распространение антиперспиранта на коже
Когда вы наносите антиперспирант на кожу, активные ингредиенты начинают диффундировать в потовые железы. Они перемещаются от места с более высокой концентрацией (антиперспирант) к месту с более низкой концентрацией (потовые железы). Это позволяет антиперспиранту блокировать потовые железы и предотвращать потоотделение.
Это лишь некоторые примеры диффузии в повседневной жизни. Диффузия является важным процессом, который происходит в различных системах и позволяет перемещаться молекулам и веществам в пространстве.
Практическое применение скорости диффузии
Скорость диффузии играет важную роль в процессах очистки воздуха. Например, при использовании фильтров воздуха, молекулы загрязнений диффундируют через материал фильтра, где они задерживаются и удаляются из воздуха. Скорость диффузии определяет, насколько быстро загрязнения могут проникнуть через фильтр и насколько эффективно фильтр может очистить воздух.
Процессы абсорбции и десорбции
Скорость диффузии также играет важную роль в процессах абсорбции и десорбции. Например, при использовании газовых абсорбентов, молекулы газа диффундируют через поверхность абсорбента, где они взаимодействуют с активными центрами и абсорбируются. Скорость диффузии определяет, насколько быстро газ может проникнуть через поверхность абсорбента и насколько эффективно абсорбент может поглотить газ.
Процессы диффузионного покрытия
Скорость диффузии также используется в процессах диффузионного покрытия. Например, при нанесении покрытия на поверхность материала, молекулы покрытия диффундируют через поверхность материала и образуют равномерное покрытие. Скорость диффузии определяет, насколько быстро молекулы покрытия могут проникнуть через поверхность материала и насколько равномерно покрытие будет распределено.
Процессы диффузии в живых организмах
Скорость диффузии играет важную роль в различных процессах, происходящих в живых организмах. Например, диффузия кислорода из легких в кровь и диффузия питательных веществ из крови в клетки осуществляются благодаря скорости диффузии. Скорость диффузии определяет, насколько быстро молекулы могут перемещаться через мембраны и обеспечивать необходимые процессы обмена веществ в организме.
Это лишь некоторые примеры практического применения скорости диффузии. Понимание этого процесса позволяет разрабатывать и улучшать различные технологии и методы, связанные с очисткой воздуха, абсорбцией, покрытием и другими областями.
Таблица сравнения скорости диффузии
Факторы Влияние на скорость диффузии
Температура При повышении температуры скорость диффузии увеличивается
Концентрация При увеличении разности концентраций скорость диффузии увеличивается
Площадь поверхности При увеличении площади поверхности скорость диффузии увеличивается
Масса частиц Масса частиц влияет на скорость диффузии: частицы с большей массой диффундируют медленнее
Размер частиц Меньшие частицы диффундируют быстрее, чем большие частицы
Заключение
Скорость диффузии – это скорость перемещения частиц вещества от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией. Она зависит от различных факторов, таких как температура, концентрация и свойства вещества. Закон Фика описывает связь между скоростью диффузии и концентрацией. Понимание скорости диффузии имеет практическое применение в различных областях, таких как химия, физика и биология. Понимание этого процесса помогает нам объяснить множество явлений в повседневной жизни, таких как распространение запахов или растворение веществ в жидкостях.
Нашли ошибку? Выделите текст и нажмите CRTL + Enter
Индукция
На кухне все чаще можно встретить индукционные плиты, в основе работы которых заложено это физическое явление. Английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году и с тех пор без нее невозможно представить нашу жизнь. Фарадей обнаружил возникновение электрического тока в замкнутом контуре из-за изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. Известен школьный опыт, когда плоский магнит перемещается внутри спиралеобразного контура из проволоки (соленоида), и в ней появляется электрический ток. Есть и обратный процесс — переменный электроток в соленоиде (катушке) создает переменное магнитное поле.
По такому же принципу работает и современная индукционная плита. Под стеклокерамической нагревательной панелью (нейтральна к электромагнитным колебаниям) такой плиты находится индукционная катушка, по которой течет электроток с частотой 20−60 кГц, создавая переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в тонком слое (скин-слое) дна металлической посуды. Из-за электрического сопротивления посуда нагревается. Эти токи не более опасны, чем раскаленная посуда на обычных плитах. Но чтобы это физическое явление запустилось, посуда должна быть стальной или чугунной, обладающей ферромагнитными свойствами (притягивать магнит).
Делая выбор в пользу индукционной плиты, нужно знать об особенности этого физического явления. С индукционной плитой на вашей кухне все сковородки и кастрюли будут нагреваться практически мгновенно
Смачивание и растекание
Вот еще одно знакомое всем физическое явление, которое можно наблюдать на кухне: на плите с жировой пленкой пролитая жидкость может образовать маленькие пятна, а на столе — одну лужицу. Все дело в том, что молекулы жидкости в первом случае сильнее притягиваются друг к другу, чем к поверхности плиты, где есть несмачиваемая водой жировая пленка, а на чистом столе притяжение молекул воды к молекулам поверхности стола выше, чем притяжение молекул воды между собой. В результате лужица растекается.
Это явление также относится к физике жидкостей и связано с поверхностным натяжением. Как известно, мыльный пузырь или капли жидкости имеют шарообразную форму из-за сил поверхностного натяжения. В капле молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильней, чем к молекулам газа, и стремятся внутрь капли жидкости, уменьшая площадь ее поверхности. Но, если есть твердая смачиваемая поверхность, то часть капли при соприкосновении растягивается по ней, потому что молекулы твердого тела притягивают молекулы жидкости, и эта сила превосходит силу притяжения между молекулами жидкости. Степень смачивания и растекание по твердой поверхности будет зависеть от того, какая сила больше — сила притяжения молекул жидкости и молекул твердого тела между собой или сила притяжения молекул внутри жидкости.
Это физическое явление с 1938 года широко стали использовать в промышленности, в производстве бытовых товаров, когда в лаборатории компании DuPont был синтезирован материал Teflon (политетрафлуороэтилен). Его свойства используются не только в изготовлении посуды с антипригарным покрытием, но и в производстве непромокаемых, водоотталкивающих тканей и покрытий для одежды и обуви. Teflon отмечен в «Книге рекордов Гинесса» как самая скользкая субстанция в мире. Он имеет очень низкие поверхностное натяжение и адгезию (прилипание), не смачивается ни водой, ни жирами, ни многими органическими растворителями.
На жировой пленке воде не за что цепляться, так как маслянистая субстанция отталкивает ее, и молекулы сцепляются между собой. А на столе притяжение к поверхности выше. Поэтому при соприкосновении с деревом, пластиком капли притягиваются к материалу и просто растекаются по нему
Диффузия
С этим физическим явлением на кухне мы сталкиваемся постоянно. Его название образовано от латинского diffusio — взаимодействие, рассеивание, распространение. Это процесс взаимного проникновения молекул или атомов двух граничащих веществ. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения тела (объему), и разности концентраций, температур смешиваемых веществ. Если есть разница температуры, то она задает направление распространения (градиент) — от горячего к холодному. В итоге происходит самопроизвольное выравнивание концентраций молекул или атомов.
На кухне это физическое явление можно наблюдать при распространении запахов. Благодаря диффузии газов, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Как известно, природный газ не имеет запаха, и к нему примешивают добавку, чтобы легче было обнаружить утечку бытового газа. Резкий неприятный запах добавляет одорант, например, этилмеркаптан. Если с первого раза конфорка не загорелась, то мы можем чувствовать специфический запах, который с детства мы знаем, как запах бытового газа.
А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик и не размешивать, то можно увидеть, как распространяется чайный настой в объеме чистой воды. Это диффузия жидкостей. Хорошей иллюстрацией физики на кухне – диффузии в твердом теле — может быть засолка помидоров, огурцов, грибов или капусты. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы Na и Cl, которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе овощей или грибов.
Конечно, все мы знаем, что чай надо заваривать кипятком. Оказывается, при высокой температуре диффузия в жидкостях происходит быстрее
Абсорбция и адсорбция
Эти два почти неразделимых физических явления, которые получили свое название от латинского sorbeo (поглощать), на кухне наблюдаются, например, при нагревании воды в чайнике или кастрюле. Газ, не действующий химически на жидкость, может, тем не менее, поглощаться ею при соприкосновении с ней. Такое явление называется абсорбцией. При поглощении газов твердыми мелкозернистыми или пористыми телами большая их часть плотно скапливается и удерживается на поверхности пор или зерен и не распределяется по всему объему. В этом случае процесс называют адсорбцией. Эти явления можно наблюдать при кипячении воды — со стенок кастрюли или чайника при нагревании отделяются пузырьки. Воздух, выделяемый из воды, содержит 63% азота и 36% кислорода. А в целом атмосферный воздух содержит 78% азота и 21% кислорода.
Поваренная соль в незакрытой емкости может стать влажной из-за своих гигроскопических свойств — поглощения из воздуха водяного пара. А сода выступает в качестве адсорбента, когда ее ставят в холодильник для удаления запаха.
Научное определение адсорбции — это поглощение пара, газа жидкостью или твердым телом. Например, типичным адсорбентом является активированный уголь. А вот на кухне наблюдать физическое явление адсорбции можно с помощью поваренной соли в емкости без крышки, которая впитывает влагу из водяного пара
Преломление света
Угол падения света равен углу отражения, а распространение естественного света или света от ламп объясняется двойственной, корпускулярно-волновой природой: с одной стороны — это электромагнитные волны, а с другой — частицы-фотоны, которые двигаются с максимально возможной во Вселенной скоростью. На кухне можно наблюдать такое оптическое явление, как преломление света. Например, когда на кухонном столе стоит прозрачная ваза с цветами, то стебли в воде как бы смещаются на границе поверхности воды относительно своего продолжения вне жидкости. Дело в том, что вода, как линза, преломляет лучи света, отраженные от стеблей в вазе.
Подобное физическое явление наблюдается и прозрачном стакане с чаем, в который опущена ложка. Также можно видеть искаженное и увеличенное изображение фасоли или крупы на дне глубокой кастрюли с прозрачной водой
Смена агрегатного состояния
Мало кто из нас замечал, что в оставленном стакане с водой через несколько дней испаряется такая же часть воды при комнатной температуре, как и при кипячении в течение 1−2 минут. А замораживая продукты или воду для кубиков льда в холодильнике, мы не задумываемся, как это происходит. Между тем, эти самые обыденные и частые кухонные явления легко объясняются физикой. Жидкость обладает промежуточным состоянием между твердыми веществами и газами. При температурах, отличных от кипения или замерзания, силы притяжения между молекулами в жидкости не так сильны или слабы, как в твердых веществах и в газах. Поэтому, например, только получая энергию (от солнечных лучей, молекул воздуха комнатной температуры) молекулы жидкости с открытой поверхности постепенно переходят в газовую фазу, создавая над поверхностью жидкости давление пара. Скорость испарения растет при увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления. Если температуру повышать, то давление пара этой жидкости достигает внешнего давления. Температуру, при которой это происходит, называют температурой кипения. Температура кипения снижается при уменьшении внешнего давления. Поэтому в горной местности вода закипает быстрее.
И наоборот, молекулы воды при понижении температуры теряют кинетическую энергию до уровня сил притяжения между собой. Они уже не двигаются хаотично, что позволяет образоваться кристаллической решетке как у твердых тел. Температура 0 °C, при которой это происходит, называется температурой замерзания воды. При заморозке вода расширяется. Многие могли познакомиться с таким физическим явлением на кухне, когда помещали пластиковую бутылку с напитком в морозилку для быстрого охлаждения и забывали об этом, а после бутылку распирало. При охлаждении до температуры 4 °C сначала наблюдается увеличение плотности воды, при которой достигается ее максимальная плотность и минимальный объем. Затем при температуре от 4 до 0 °C происходит перестройка связей в молекуле воды, и ее структура становится менее плотной. При температуре 0 °C жидкая фаза воды меняется на твердую. После полного замерзания воды и превращения в лед ее объем вырастает на 8,4%, что и приводит к распиранию пластиковой бутылки. Содержание жидкости во многих продуктах мало, поэтому они при заморозке не так заметно увеличиваются в объеме.
С этим физическим явлением — сменой агрегатного состояния — на кухне хозяйки сталкиваются при кипячении жидкостей, заморозке продуктов, например сливочного масла. Когда мы помещаем воду в морозилку, она остывает, молекулы уже не двигаются хаотично, а образуют кристаллическую решетку, как у твердых тел
Поверхностное натяжение
Многие помнят опыты с пленками жидкостей, которые показывали на уроках физики в школе. Небольшую проволочную рамку с одной подвижной стороной опускали в мыльную воду, а затем вытаскивали. Силы поверхностного натяжения в образовавшейся по периметру пленке поднимали нижнюю подвижную часть рамки. Чтобы сохранить ее неподвижной, к ней подвешивали грузик при повторном проведении опыта. Это же физическое явление можно наблюдать и на вашей кухне в дуршлаге — после использования в дырочках дна этой кухонной посуды остается вода. Такое же явление можно наблюдать после мойки вилок — на внутренней поверхности между некоторыми зубьями также есть полоски воды.
Физика жидкостей объясняет это явление так: молекулы жидкости настолько близки друг к другу, что силы притяжения между ними создают поверхностное натяжение в плоскости свободной поверхности. Если сила притяжения молекул воды пленки жидкости слабее силы притяжения к поверхности дуршлага, то водная пленка разрывается. Также силы поверхностного натяжения заметны, когда мы будем сыпать в кастрюлю с водой крупу или горох, бобы, или добавлять круглые крупинки перца. Некоторые зерна останутся на поверхности воды, тогда как большинство под весом остальных опустятся на дно. Если кончиком пальца или ложкой слегка надавить на плавающие крупинки, то они преодолеют силу поверхностного натяжения воды и опустятся на дно.
Наблюдать за физическим явлением поверхностного натяжения на кухне можно не только на вилках или дуршлаге. Есть и другие способы — например, в турке. Если вы привыкли варить кофе в турке, то можете заметить поверхностное натяжение во время закипания воды. Для этого нужно налить жидкость почти по горлышко турки. И во время закипания она поднимется прямо к краю и образует такой «грибочек» — вода поднимется над краем, но переливаться не будет
Проявление закона Архимеда
Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на ¾ в зависимости от размера курицы. Погружая тушку в кастрюлю с водой, мы замечаем, что вес курицы в воде заметно уменьшается, а вода поднимается к краям кастрюли.
Это физическое явление объясняется выталкивающей силой или законом Архимеда. В этом случае на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда, как и сам физический закон, объясняющий это явление.
Свой физический закон Архимед придумал, занимаясь будничным делом — принимая ванну. Легенда гласит, что нагой Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» («Нашёл!»)
Теплопроводность
Одно из самых частых физических явлений на кухне, которое мы можем наблюдать — это нагрев чайника или воды в кастрюле. Теплопроводность — это передача теплоты через движение частиц, когда есть разница (градиент) температуры. Среди видов теплопроводности есть и конвекция. В случае одинаковых веществ, у жидкостей теплопроводность меньше, чем у твердых тел, и больше по сравнению с газами. Теплопроводность газов и металлов возрастает с повышением температуры, а жидкостей — уменьшается. С конвекцией мы сталкиваемся постоянно, помешиваем ли мы ложкой суп или чай, или открываем окно, или включаем вентиляцию для проветривания кухни. Конвекция — от латинского convectiō (перенесение) — вид теплообмена, когда внутренняя энергия газа или жидкости передается струями и потоками. Различают естественную конвекцию и принудительную. В первом случае слои жидкости или воздуха сами перемешиваются при нагревании или остывании. А во втором случае — происходит механическое перемешивание жидкости или газа — ложкой, вентилятором или иным способом.
Присутствует в кухонной чайной церемонии и такое физическое явление, как теплопередача. Не зря ручки у самоваров всегда были деревянными — дерево не самый лучший проводник тепла. Как, впрочем, и пластмасса, из которой сегодня делают электрические чайники
Электромагнитное излучение
У многих людей на кухне есть микроволновка. И она тоже работает на основе физических явлений. Микроволновку иногда называют сверхвысокочастотной печью, или СВЧ-печью. Основной элемент каждой микроволновки — магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение частотой до 2,45 гигагерц (ГГц). Излучение разогревает еду, взаимодействуя с ее молекулами. В продуктах есть дипольные молекулы, содержащие на противоположных своих частях положительные электрические и отрицательные заряды. Это молекулы жиров, сахара, но больше всего дипольных молекул в воде, которая содержится почти в любом продукте. СВЧ-поле, постоянно меняя свое направление, заставляет с высокой частотой колебаться молекулы, которые выстраиваются вдоль силовых линий так, что все положительные заряженные части молекул «смотрят», то в одну, то в другую сторону. Возникает молекулярное трение, выделяется энергия, что и нагревает пищу.
Магнитрон в микроволновых печах — это, по сути, вакуумная лампа, которая создаёт СВЧ-излучение частотой 2,45 ГГц. Такое излучение необычно воздействует на обычную воду, которая содержится в любой пище, а также на молекулы жиров и сахара. В результате прямо у вас на кухне происходит физическое явление — нагревание еды