Επεξήγηση των διαγραμμάτων φάσεων

Όταν τρώτε το παγωτό σας, την καραμέλα σας ή ένα ωραίο κομμάτι φοντάν, μπορεί να μην καταλάβετε ότι καταναλώνετε στην πραγματικότητα ένα επιστημονικά πολύπλοκο προϊόν! Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συγκεντρώσεων ζάχαρης και νερού σε συνδυασμό με τη θερμοκρασία δημιουργούν ένα σπουδαίο φυσικό φαινόμενο. Αυτά είναι στην πραγματικότητα προϊόντα που είναι εξαιρετικά όταν παρουσιάζονται σε ένα λεγόμενο διαγράμματα φάσης. Αυτά τα διαγράμματα λένε πολλά για ένα τέτοιο προϊόν.

Θα προσπαθήσω να εξηγήσω αυτά τα διαγράμματα φάσεων, γιατί είναι συναρπαστικά.

Τι είναι ένα διάγραμμα φάσης

Ας ξεκινήσουμε από την αρχή, τον ορισμό ενός διαγράμματος φάσης. Σε ένα διάγραμμα φάσεων οι φάσεις ενός υλικού (ή ενός μείγματος υλικών) εμφανίζονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες (και πιθανώς πιέσεις). Έτσι, σε ένα διάγραμμα φάσης για το νερό θα μπορείτε να δείτε σε ποια θερμοκρασία μεταβαίνει από πάγο σε νερό και από νερό σε αέριο.

Σε αυτήν την ανάρτηση δεν μας ενδιαφέρει απαραίτητα ένα διάγραμμα φάσης ενός υλικού (π.χ. νερό) αλλά για ένα μείγμα δύο συστατικών:για παράδειγμα ζάχαρη και νερό ή αλάτι και νερό.

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει ένα τέτοιο διάγραμμα. Δείτε πώς μπορείτε να τα διαβάσετε:

• Στον οριζόντιο άξονα μπορείτε να βρείτε τη συγκέντρωση του αλατιού (NaCl). Το άκρο δεξιά αντιπροσωπεύει το 100% αλάτι, το τέρμα αριστερά αντιπροσωπεύει το 100% νερό.
• Ο κατακόρυφος άξονας αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία.
• Οι τέσσερις διαφορετικές χρωματιστές περιοχές αντιπροσωπεύουν τις φάσεις που υπάρχουν σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και συγκέντρωση.

Διάγραμμα φάσης αλατιού

Ας δούμε δύο παραδείγματα:

1. Όταν η συγκέντρωση του αλατιού είναι 5% και η θερμοκρασία είναι -10°C καταλήγουμε στην κόκκινη περιοχή:πάγος + αλατόνερο. Αυτό σημαίνει ότι σε αυτό το μείγμα υπάρχει και αλμυρό νερό και πάγος. Διαβάστε περισσότερα για αυτό το φαινόμενο στην ανάρτηση για την «κατάθλιψη σημείου παγώματος». Αυτή η κόκκινη περιοχή εξηγεί γιατί απλώνεται αλάτι στους δρόμους στο νερό.
2. Σε διάλυμα αλατιού με 50% αλάτι στους 5°C καταλήγουμε στη γκρίζα περιοχή:κρύσταλλοι NaCl + αλατόνερο. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν κρύσταλλοι αλατιού μέσα σε ένα διάλυμα αλμυρού νερού. Αυτό συμβαίνει όταν υπερβείτε τη μέγιστη συγκέντρωση αλατιού σε ένα διάλυμα. Το αλάτι δεν «χωράει» πια και κρυσταλλώνει.

Διάγραμμα φάσης σακχαρόζης

Δεδομένου ότι έχω συζητήσει το παγωτό σε μια προηγούμενη ανάρτηση στο οποίο η ζάχαρη χρησιμοποιείται συνήθως για τη μείωση του σημείου πήξης, ας συζητήσουμε επίσης το διάγραμμα φάσεων της σακχαρόζης και του νερού. Το διάγραμμα φάσεων που φαίνεται παρακάτω προέρχεται από τον ιστότοπο του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ. Για όσους γνωρίζουν τους όρους, είναι ένα λεγόμενο πρακτικό διάγραμμα φάσης.

Επειδή εδώ μιλάμε για παγωτό, θα συζητήσουμε μόνο μια περιοχή. Παίρνουμε ένα διάλυμα ζάχαρης με 20% σακχαρόζη στους -18°C, καταλήγουμε στην περιοχή «πάγος και υγρό». Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν τόσο καθαροί κρύσταλλοι πάγου όσο και διάλυμα ζάχαρης. Αυτό είναι που κάνει τα παγωτά μας να τρώγονται ωραία, όχι με πολλούς κρυστάλλους πάγου και αρκετό υγρό διάλυμα ζάχαρης που είναι «μαλακό».

Υπολογισμός συγκεντρώσεων

Υπάρχει ένα ακόμη σημαντικό πράγμα που μπορείτε να αντλήσετε από ένα διάγραμμα φάσεων:τις συγκεντρώσεις των διαφορετικών φάσεων. Αυτό είναι ελαφρώς πιο περίπλοκο υλικό, επομένως θα το εξηγήσουμε χρησιμοποιώντας ένα παράδειγμα, χρησιμοποιήστε το παρακάτω γράφημα.

Πρώτα, πάρτε ένα 100% διάλυμα νερού στους -10°C (ανεβείτε την άκρα αριστερή κόκκινη διακεκομμένη γραμμή). Εφόσον υπάρχει μόνο νερό, αυτή η φάση θα υπάρχει μόνο από πάγο. Τώρα πάρτε ένα 55% στην ίδια θερμοκρασία. Καταλήγετε στη διασταύρωση μεταξύ φάσης. Αυτό σημαίνει ότι σε αυτό το σημείο υπάρχει μόνο υγρό (=διάλυμα ζάχαρης). Τώρα ας πάρουμε ένα σημείο στη μέση αυτών των δύο.

Πάρτε ένα διάλυμα ζάχαρης με 20% ζάχαρη στους -10°C περίπου. Στο γράφημα εδώ τελειώνει η συνεχής κόκκινη γραμμή. Από αυτό το σημείο μπορούν να σχεδιαστούν δύο οριζόντιες γραμμές στα πλησιέστερα όρια. Αυτές οι γραμμές αντιπροσωπεύουν την αναλογία της υγρής και της φάσης πάγου. Η πράσινη γραμμή δείχνει το υγρό τμήμα, η μπλε γραμμή είναι το κλάσμα πάγου. Εάν ξεχάσετε ποτέ ποια από τις δύο γραμμές είναι ποια, χρησιμοποιήστε τα δύο παραδείγματα που ανέφερα παραπάνω.

Ο υπολογισμός εδώ έχει ως εξής:

• Κλάσμα πάγου:μήκος μπλε γραμμή / συνολικό μήκος =(55-20)/55 =0,64
• Υγρό κλάσματος:μήκος πράσινη γραμμή / συνολικό μήκος =(20-0)/55 =0,36

Ας το ελέγξουμε αυτό. Είπαμε ότι η μπλε γραμμή είναι ο πάγος και η πράσινη το υγρό, άρα θα πρέπει να έχουμε περισσότερο πάγο παρά υγρό. Αυτό ακριβώς βρίσκουμε στον υπολογισμό.

Υπάρχουν μερικά πολύπλοκα μαθηματικά που κρύβονται πίσω από αυτούς τους υπολογισμούς, αλλά αποφάσισα να το διερευνήσω αρκετά γρήγορα, καθώς δεν είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τις αρχές.

Δημιουργία διαγράμματος φάσης

Δυστυχώς, η δημιουργία ενός διαγράμματος φάσης δεν είναι πολύ εύκολη, ειδικά όταν πρόκειται για εξαιρετικά πολύπλοκες λύσεις. Ένα διάλυμα ζάχαρης και αλατιού σε νερό, για παράδειγμα, είναι ήδη πολύ πιο περίπλοκο να απεικονιστεί σε ένα τέτοιο διάγραμμα. Εάν υπάρχουν ακόμη περισσότερα συστατικά, για παράδειγμα πρωτεΐνες, γίνεται ακόμη πιο περίπλοκο αφού όλα αλληλεπιδρούν.

Οι υπολογισμοί των διαγραμμάτων είναι συχνά πολύπλοκοι και δεν θα εμβαθύνουμε σε αυτές τις λεπτομέρειες. Ωστόσο, μόλις μάθετε πότε βρίσκεται το υλικό σε ποια φάση, θα μπορείτε να σχεδιάσετε ένα διάγραμμα φάσεων.

Αυτά τα διαγράμματα φάσεων μπαίνουν στο παιχνίδι σε πολλά διαφορετικά προϊόντα και σενάρια. Όταν φτιάχνετε ζαχαρωτά αυτά τα διαγράμματα είναι απαραίτητο να κατανοήσετε και βοηθούν στην εξήγηση του παγωτού. Δυστυχώς, όσο πιο περίπλοκο είναι το μείγμα τόσο πιο δύσκολο είναι να γίνουν ακριβείς υπολογισμοί. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο είναι συχνά δύσκολο να εφαρμοστούν αυτά τα διαγράμματα ένα προς ένα.

Αναφορές

Πανεπιστήμιο του Cambridge, συστήματα νερού-σακχαρόζης, σύνδεσμος

Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, Σειρά διαλέξεων Επιστήμης και μαγειρικής, σύνδεσμος; Ο αρχικός σύνδεσμος προς το διάγραμμα φάσεων δεν είναι πλέον ενεργός