Физика в производственной столовой

         Сейчас я попытаюсь, объяснить, как это происходит. Микроволновая энергия распространяется в форме высокочастотных волн, похожих на те, которые используются в радиоприемнике, лишь только короче. Электричество преобразуется в микроволновую энергию, которая затем поступает в жаровой шкаф и направляется на приготовляемую пищу. В отличие от обычных способов приготовления пищи, в микроволновке не происходит прямого теплового воздействия на продукт. Во время приготовления пищи микроволны поглощаются продуктами. Они проникают на глубину 20-40 см. Микроволновая энергия возбуждает молекулы пищи (в особенности воды, сахара, жира), заставляя их вибрировать со скоростью 2450000000 раз в секунду. Вибрация вызывает трение, в результате которого выделяется большое количество тепла, за счет которого и происходит приготовление пищи. Если быстро потереть свои руки одна о другую, то сразу почувствуешь тепло от трения ладоней. То же происходит при приготовлении пищи в микроволновой печи. Нагревание внутри большого объема продуктов происходит за счет теплопроводности. Вследствие этого, блюда готовятся еще некоторое время, и после извлечения из печи, пока полностью не прекратится вибрация. Высокая скорость вибрации позволяет значительно сэкономить время на приготовление пищи. Значительно экономится электроэнергия (до 80%), чем при использовании электрической плитки. Микроволны не имеют запаха и вкуса, поэтому не влияют на аромат продукта и вкус.

3. Законы Ньютона

       Мои наблюдения показывают, что  законы кинематики и динамики также повседневно встречаются в производственной деятельности повара – кондитера. Например, повар – кондитер, стоящий около плиты на кухне, покоится относительно плиты, других кухонных агрегатов, самого здания, но он движется относительно проезжающих мимо здания кухни машин, движущихся людей и т.д.

       Я увидел, что во время работы повару – кондитеру приходится перемещать грузы по наклонной (сгружая с машин) или горизонтальной плоскости кухни. Здесь он сталкивается с векторной физической величиной, называемой силой. Ускорение, которое приобретает при этом груз, зависит от приложенной силы, так и от массы данного груза. Связь между ускорением, силой и массой выражает второй закон Ньютона.

       Очень часто повару - кондитеру на кухне приходится измерять физические величины вещества. Делается это обычно взвешиванием на различных видах весов или измерением объемов различными мерными стаканами, мензурками и т.д. Физические величины измеряются в граммах и килограммах, в литрах и миллилитрах, иногда в гигалитрах и декалитрах. В ходе наблюдений у меня возник вопрос: почему результат взвешивания на рычажных весах не зависит от того, где лежит тело - посередине чашки весов или ближе к  ее краю? Ответ: В обоих случаях чашка весов подвешена к одной и той же точке, следовательно, плечо силы постоянно, где бы не лежало тело.

       Я поинтересовался у наших поваров и узнал, сколько же положено по нормам на 1 человека, чтобы приготовить сегодняшний обед. Меню на сегодня: 1. тефтели из говядины – 50 г.: мясо говядины – 38 г, рис – 5 г, лук репчатый – 18 г, масло топленное – 3 г, мука – 4 г.;  2. булочка сдобная – 50 г: мука – 32 г, сахар – 7 г, яйцо -1/4, маргарин – 5 г, соль – 0,03 г, дрожжи – 0,08 г, молоко сухое – 0,02 г; 3.компот –сухофрукты -0,025 г, сахар – 0,02 г.

Затем повар проводит самые простые математические решения и получает то количество продуктов, которое необходимо взять для приготовления.

      Взвешивая различные продукты, мы видим, что вес тела, т.е. сила, с которой тело, давит на чашу весов, совпадает по величине с силой, действующей со стороны чаши на данное тело. Сила, с которой чаша давит на находящееся, на ней тело называется силой реакции опоры, на весах она уравновешивается либо усилием пружины, либо грузами - гирями на другом конце весов. Здесь все зависит от вида весов. А в простейшем виде: плита и поставленная на нее кастрюля с водой. Сила, с которой они действуют друг на друга, равна по величине и противоположна по направлению. Это утверждение является третьим законом Ньютона. Так же примером может служить человек, несущий в одной руке тяжелое ведро с водой. Он  для равновесия наклоняется в противоположную сторону согласно 3 закону Ньютона.

      Перемещая грузы, мы осуществляем равноускоренное прямолинейное движение, но, затачивая нож на вращающемся наждачном камне, мы сталкиваемся с равномерным движением по окружности. Здесь же повар сталкиваемся и с трением, между поверхностью ножа и наждачного камня. Силы трения также проявляются при резании продуктов ножом.  Мы зажигаем спичку, чтобы зажечь горелку плиты, мы «добыли» огонь трением – трением спичек о коробок и этим мы изменили внутреннюю энергию спичек, совершив небольшую работу. Знаем, что живую рыбу трудно удержать в руках. А вот почему, задумывался не каждый из нас. Конечно, у рыбы  поверхность гладкая, поэтому трение мало.

4. Основные положения молекулярно – кинетической теории (МКТ)

     Если говорить об основных положениях МКТ, то они вплотную связаны с профессией повара - кондитера. Согласно этим положениям все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки. Эти частицы непрерывно и хаотически движутся, взаимодействуют друг с другом.

     Все, с чем сталкивается повар – кондитер на кухне: стены, оборудование, вода, продукты питания и т.д. – имеет общее название «вещество». А оно, как известно, состоит из атомов и молекул. Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Например, вода, лед, пар. Агрегатное состояние определяется температурой и внешним давлением.

     С газообразным состоянием вещества мы встречаемся ежедневно. Это воздух, которым мы дышим; пар, который образуется при приготовлении пищи и т.д.

     Вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Переход из твердого состояния в жидкое состояние называется плавлением, обратный ему процесс называется кристаллизацией или отвердеванием. Сахар - молекулярный кристалл, но если его расплавить и быстро охладить, то образуется леденец – аморфное состояние сахара. Однако через некоторое время в леденце начинают расти кристаллики сахара. Так, варенье, долго простоявшее в банке, начинает засахариваться, т.е. в нем выделяются кристаллики сахара. Если же варенье переварить еще раз, то кристаллы сахара расплавятся: варенье вновь будет хорошим.

      Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется конденсацией. Конденсацию можно наблюдать на нижней стороне крышки кастрюли, состоящей из капелек воды.

       Вода кипит при 1000 С. Но это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (около 101 кПа). При возрастании давления температура кипения воды возрастает. Так, в кастрюлях-сковородках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 1200 С. При такой температуре процесс варки происходит быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

       Я заметил, что обязательное явление в кухонных помещениях – конвекция или теплообмен в жидких, и газообразных средах, осуществляемых потоками (или струями) жидкости.

       Конвекция присутствует в любом помещении даже с отключенными батареями и другими источниками тепла. Она идет более интенсивно, когда включаются отопительные приборы. Именно благодаря конвекции нагревается воздух в жилых помещениях. На кухнях осуществляется более интенсивная конвекция. Помимо отопительных батарей конвекцию подгоняют различные нагревательные приборы и вытяжные вентиляторы, различные дымоотсосы.

       Конвекция  «подстегивает» и ускоряет диффузию в жидкой и газообразной среде. Диффузия – взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вещества при их соприкосновении. Например, положил я сахар в чай и, помешивая ложечкой воду, ускоряю процесс проникновения молекул сахара между молекулами воды.

     Благодаря диффузии воздух, которым мы дышим, представляет собой смесь азота, кислорода, примеси инертных газов и паров воды. Конвекция и диффузия перемешивает газы и запахи в воздушном пространстве кухни и воздух кухни – настоящий букет запахов, по которому сразу же можно определить, что будет сегодня на обед. На  явлении диффузии основана также засолка огурцов, помидоров, капусты.

      На кухне всегда присутствует лучистый теплообмен – это теплообмен, при котором переносится энергия различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас: кастрюли, чайники, сковороды, баки, плиты и т.д.

     Стоя у плиты, мы чувствуем, как тепло передается нашему телу. Но причиной такой теплопередачи не может быть теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между плитой и телом значительно мала), ни конвекция (конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место лучистый теплообмен.

       Все вещества, с которыми мы работаем на кухне, имеют разную теплоемкость. Нагревая одинаковое количество воды и масла, я заметил, что масло нагревается быстрее. Физическая величина, показывающая какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 10 С называется удельной теплоемкостью вещества. Удельная теплоемкость воды – 4200 Дж/(кг*0 С), а подсолнечного масла – 1700 Дж/(кг*0 С).

      Разные вещества имеют разную теплопроводность. Для взятия проб из котла лучше пользоваться деревянной ложкой, стальная нагревается быстро, а еще быстрее нагревается серебряная или алюминиевая ложка. С этой же целью у металлической посуды (кастрюли, сковороды, чайника и т.д.) делают ручки из дерева и пластмасс. Удельная теплоемкость дерева – 2400  Дж/(кг*0 С), стали – 500 Дж/(кг*0 С), серебра – 250Дж/(кг*0 С),  и алюминия – 920Дж/(кг*0 С). Та, у которой удельная теплоемкость меньше, нагревается быстрей.

5. Законы термодинамики

              К тепловым явлениям (и системам) происходящим на кухне применимы законы (или начала) термодинамики. Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения энергии систем, где наряду с механическими и электрическими процессами происходят тепловые и химические процессы, и формулируется он так: количество теплоты, полученное системой, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на работу, производимую системой против внешних сил.

       На нашей кухне мы можем также сформулировать первое начало термодинамики так: при сообщении термодинамической системе (например, кастрюле с водой, мясом и овощами) определенного количества теплоты, происходит приращение внутренней энергии системы и она совершает работу, т.е. варит нам суп, борщ и т.д.

      Из своих наблюдений, я заметил, что капля воды, попав на раскаленную плиту, начинает на ней прыгать. Объясняется это тем, что капля воды на очень горячей сковороде «плавает» на слое пара, который служит своеобразной теплоизолирующей прослойкой. К тому же капля при этом под действием сил поверхностного натяжения сворачивается в шарик, зона ее контакта (а значит, и теплообмен) с раскаленным металлом сильно уменьшается или можно сказать простыми словами - она мгновенно нагревается и закипает (вспомним,  как бурлит и дрыгается кипящая вода).

    Второй закон термодинамики  связан с необратимостью тепловых явлений, с их односторонней направленностью. Так, явление диффузии необратимо. Сахар сам собой растворяется в воде, но никогда из раствора сам по себе не выделится и вода не станет пресной. Необратим и процесс теплообмена. Энергия теплообмена самопроизвольно переходит от горячего тела к более холодному, а обратный процесс сам по себе не происходит. Это, я думаю, наблюдал каждый из нас.

                                               6. Закон Архимеда

      Как учащийся профессии «Повар, кондитер» мне уже приходилось самому загружать в кастрюлю или бак с кипящей водой крупу, макароны или овощи, здесь я сталкиваюсь с законом Архимеда: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Например, каждый из нас пил чай с комочками сахара, но не каждый наблюдал за этим явлением. Я заметил, что если  в чай с теплой водой опустить несколько кусочков сахара вода сначала поднимется, а затем, когда сахар растворится, понизится. Почему?  Сначала на сахар действует сила Архимеда и подъем жидкости в стакане равен весу кусочков сахара, лишь потом согласно положениям МКТ молекулы сахара проникли в молекулы воды и заполнили частично промежутки между молекулами, поэтому уровень чая вновь понизился. Архимедов закон справедлив и для газов.

      Пропуская через мясорубку мясо для получения фарша, мы сталкиваемся не только с процессами резания и трения, но и архимедовым винтом, которым мясо подается к ножу и решетке. Рукоятка, которой мы вращаем винт, помогает нам уменьшить усилие, но во сколько раз мы снижаем усилие, во столько же раз увеличивается расстояние, проделываемое нашей рукой.

                    7. Экспериментально – исследовательская часть

       Я проводил опыты и наблюдения в столовой Губернаторского автомобильно-электромеханического техникума и с помощью приборов измерил:

Температура воздуха на кухне +280С

Температура поверхности плиты +2100С

Температура поверхности сковородки +2000С

Влажность воздуха 86% .

        Я проводил наблюдение хаотического движения частиц в зависимости от температуры.

Задание: Взял три стакана. В первый налил кипяток; во второй - теплую воду, в третий  - холодную воду. В каждый стакан бросил щепотку гранулированного чая.  На основе наблюдений  сделал вывод: вода в первом стакане, т.е. там, где налит кипяток начала окрашиваться быстрее, чем в теплой или холодной воде. Это объясняется тем, что скорость хаотического движения молекул увеличивается при повышении температуры, в стакане с горячей водой происходит интенсивное окрашивание.