Εισαγωγή στο αέριο, τα υγρά και τα στερεά στα τρόφιμα
Όταν ετοιμάζετε φαγητό αλλάζετε συνεχώς την κατάσταση των συστατικών μας. Λιώνετε το βούτυρο σε ένα ζεστό τηγάνι, βράζετε ένα υγρό ζωμό σε παχύρρευστη σύσταση ή μετατρέπετε μια υγρή κρέμα σε μια συμπαγή μπανιέρα με παγωτό.
Χωρίς να το καταλάβετε, αλλάζετε συνεχώς μεταξύ τριών* καταστάσεων της ύλης:στερεά, υγρά και αέρια για να φτιάξετε νόστιμο φαγητό.
Αλλά πώς λειτουργούν αυτές οι μεταβάσεις; Γνωρίζοντας αυτό θα σας επιτρέψει να τα χρησιμοποιήσετε ακόμη περισσότερο προς όφελός σας!
Κινούμενα μόρια – Κινητική
Όλος ο κόσμος γύρω είναι γεμάτος μόρια. Τα μόρια αποτελούν τα δομικά στοιχεία της τροφής μας επίσης. Υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λίπη, είναι όλα μόρια. Παρόλο που μπορεί να μην φαίνεται, καθώς συμβαίνει σε τόσο μικρή κλίμακα, αυτά τα μόρια κινούνται συνεχώς. Ποτέ δεν είναι εντελώς ακίνητα.
Το πόσο κινείται όλη η ύλη γύρω μας εξαρτάται από τη θερμοκρασία αυτής της ύλης. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο λιγότερη κίνηση. Η θερμότητα, επομένως μια υψηλότερη θερμοκρασία, δίνει την ενέργεια για κίνηση.
Τα κινούμενα μόρια περιέχουν ενέργεια. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται κινητική ενέργεια. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία τόσο χαμηλότερη είναι η κινητική ενέργεια αυτών των μορίων.
Απόλυτη μηδενική κίνηση
Υπάρχει μια κατάσταση στην οποία τα μόρια δεν θα κινούνταν καθόλου:στη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, το απόλυτο μηδέν. Για τα τρόφιμα αυτό είναι αρκετά άσχετο, ωστόσο, καθώς αυτό το απόλυτο μηδέν είναι στους -273°C (-459°F).
Μεταφορά κινητικής ενέργειας
Τα μόρια μεταφέρουν κινητική ενέργεια το ένα στο άλλο. Εάν τοποθετήσετε μερικά πολύ ζεστά και μερικά πολύ κρύα μόρια στο ίδιο δωμάτιο, θα γίνουν η ίδια θερμοκρασία με την πάροδο του χρόνου (υποθέτοντας ένα ιδανικό σύστημα). Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια προσκρούουν συνεχώς το ένα στο άλλο. Εάν ένα μόριο έχει πολύ περισσότερη ενέργεια (γνωστός και ως, είναι πιο καυτό) από ένα άλλο (που είναι πιο κρύο) θα μεταφέρει μέρος αυτής της πρόσθετης ενέργειας στο μόριο χαμηλής ενέργειας. Μετά από αρκετά χτυπήματα, όλα τα μόρια θα κινούνται με την ίδια περίπου ταχύτητα και έτσι θα έχουν την ίδια θερμοκρασία!
Καταστάσεις της ύλης
Παρόλο που τα μόρια κινούνται συνεχώς όταν βρίσκονται πάνω από αυτή τη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, αυτό δεν σημαίνει ότι κινούνται ελεύθερα. Το πόσο ελεύθερα μπορούν να κινούνται εξαρτάται από την κατάσταση της ύλης αυτών των μορίων. Υπάρχουν τρεις* κύριες καταστάσεις της ύλης:στερεά, υγρή και αέρια.
Στερεά
Σε ένα στερεό, τα μόρια κινούνται, ωστόσο, κινούνται στη θέση τους. Μπορεί να δονούνται εμπρός και πίσω, να τρέμουν κ.λπ., αλλά παραμένουν στη θέση τους. Αυτά τα μόρια δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να απομακρυνθούν από το σημείο τους. Οι κρύσταλλοι ζάχαρης είναι στερεό. Αν φτιάξετε ένα σωρό ζάχαρη, θα μείνει στη θέση του. Οι κρύσταλλοι θα μείνουν λίγο πολύ.
Υγρό
Ακολουθεί ένα υγρό, όπως το νερό σε ένα ποτήρι. Σε ένα υγρό τα μόρια έχουν πολύ περισσότερη ενέργεια. Στην πραγματικότητα, έχουν αρκετή ενέργεια για να αφήσουν το σημείο τους και να ταξιδέψουν μέσα στο υγρό. Ωστόσο, δεν μπορούν να «πετάξουν» εντελώς μακριά από το υγρό, θα μείνουν μέσα.
Ένα άλλο παράδειγμα υγρού είναι το ελαιόλαδο σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν ρίξετε το ελαιόλαδο, θα χυθεί από το μπουκάλι, αλλά όλο θα κυλήσει προς τα κάτω, θα τραβηχτεί από τη βαρύτητα και θα καταλήξει σε μια λακκούβα. Κανένα από αυτά δεν θα επιπλέει στον αέρα.
Αέρια
Στα αέρια τα μόρια αποκτούν ακόμη μεγαλύτερη ελευθερία. Τα μόρια δεν δεσμεύονται πλέον από τα άλλα μόριά τους. Αντίθετα, τα μόρια αερίου μπορούν να ταξιδέψουν όσο μακριά θέλουν μέχρι να χτυπήσουν ένα όριο. Αυτά τα όρια σχηματίζονται από υγρά ή στερεά, περιορίζοντας τα αέρια. Προκειμένου τα μόρια να είναι αέριο χρειάζονται ακόμη περισσότερη ενέργεια για να ταξιδεύουν τόσο ελεύθερα.
Αλλαγή φάσης
Οι καταστάσεις της ύλης μπορούν εύκολα να μεταβούν η μία στην άλλη. Αυτή η διαδικασία διέπεται από τη θερμοκρασία. Ένα στερεό μπορεί να μετατραπεί σε υγρό θερμαίνοντας αυτό το στερεό. Αυτό συμβαίνει όταν λιώνουμε το βούτυρο. Ένα υγρό και πάλι μπορεί να μετατραπεί σε αέριο θερμαίνοντάς το. Αυτό συμβαίνει όταν φέρνετε το νερό σε βρασμό και συνεχίζετε να το ζεστάνετε, με την πάροδο του χρόνου όλο το νερό θα εξατμιστεί.
Ισχύει και το αντίστροφο. Η ψύξη ενός αερίου μπορεί να το μετατρέψει σε υγρό και η περαιτέρω ψύξη του μπορεί να το κάνει στερεό.
Θερμοκρασία μετάβασης φάσης
Σε ποια θερμοκρασία συμβαίνουν αυτές οι μεταβάσεις φάσης είναι διαφορετική για κάθε μόριο ή μείγμα μορίων. Ο πάγος του νερού λιώνει στους 0°C (32°F), αλλά αυτό το βούτυρο λιώνει μόνο όταν βρίσκεται σε ζεστό τηγάνι. Αυτές οι θερμοκρασίες είναι διαφορετικές λόγω του πώς αλληλεπιδρούν τα μόρια, πόσο καλά συγκρατούνται το ένα πάνω στο άλλο και πόσο καλά προσελκύουν (ή απωθούνται) το ένα το άλλο.
Μικρά, σφαιρικά μόρια που δεν έλκονται το ένα το άλλο γίνονται αέριο πιο εύκολα από τα μεγάλα ογκώδη μόρια. Χρειάζονται λιγότερη ενέργεια για να επιπλέουν ελεύθερα. Ένα παράδειγμα τέτοιου μικρού μορίου είναι το υδρογόνο (H2 ). Το υδρογόνο είναι αέριο σε θερμοκρασία δωματίου. Ένα μόριο ζάχαρης από την άλλη πλευρά είναι πολύ μεγαλύτερο και σχηματίζει δομές με άλλα μόρια ζάχαρης. Ως εκ τούτου, είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου.
Το να γνωρίζετε σε ποιες θερμοκρασίες συμβαίνουν οι μεταβάσεις φάσης είναι κάτι που χρησιμοποιείτε ασυνείδητα κατά την προετοιμασία του φαγητού. Βάζουμε το νερό να βράσει (που ουσιαστικά σημαίνει ότι αρχίζουμε να το εξατμίζουμε), παγώνουμε τον πάγο κ.λπ., λιώνουμε το βούτυρο. Γνωρίζετε διαισθητικά τι πρέπει να κάνετε για να προκαλέσετε αυτήν τη μετάβαση φάσης.
Ενέργεια μετάβασης φάσης
Η μετατροπή φάσεων απαιτεί πολλή ενέργεια, περισσότερη ενέργεια από την απλή θέρμανση των μορίων. Η θέρμανση του νερού κατά μόλις 1 βαθμό Κελσίου από τους 99 στους 100°C απαιτεί περίπου 2 kJ ανά κιλό νερού. Ωστόσο, η μετατροπή αυτού του ζεστού νερού σε ατμό απαιτεί πάνω από 2000 kJ ανά κιλό νερού!
Η μετάβαση από στερεό σε υγρό ή από υγρό σε αέριο απαιτεί πάντα πολλή ενέργεια. Το αντίθετο ισχύει επίσης. Η μετάβαση από αέριο σε υγρό ή από υγρό σε στερεό έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενέργειας.
Μεταπτώσεις φάσεων στα τρόφιμα
Το φαγητό είναι γεμάτο μεταβάσεις φάσης! Για να αναφέρουμε μόνο μερικά:
- Βράσιμο σφενδάμου σε σιρόπι σφενδάμου:υγρό –> αέριο
- Παρασκευή παγωτού:υγρό –> στερεό
- Ψήσιμο καρυδιών:υγρό –> αέριο (εξατμίζεις την υγρασία!)
- Λιώνοντας λαρδί σε κρούστα πίτας στο φούρνο:στερεό –> υγρό
- Αποθήκευση φυστικοβούτυρου στο ψυγείο:υγρό –> στερεό
*Η τέταρτη κατάσταση της ύλης είναι το πλάσμα, κάτι που είναι σχετικό για τους φυσικούς, αλλά πολύ σπάνιο να συμβεί στα τρόφιμα, εκτός και αν ψήσετε ένα σταφύλι σε μικροκύματα…
Αναφορές
Η εργαλειοθήκη μηχανικής, Υδρατμοί – ειδική θερμότητα, σύνδεσμος
Η εργαλειοθήκη μηχανικής, Νερό – θερμότητα εξάτμισης, σύνδεσμος
