Какие физические явления происходят при приготовлении и питье кофе? Объясняю на уровне физики 8 класса! Статья написана по мотивам научно-популярной лекции, прочитанной мной недавно в кафе-лектории "Маяк" для небольшой группы школьников и взрослых.
Основы молекулярно-кинетической теории. Диффузия
Как и любое вещество, и чашка, и вода, и кофе состоят из молекул, и многие явления можно объяснить на основе молекулярного строения.
Вспомним основные положения молекулярно-кинетической теории.
- Все тела состоят из молекул, между которыми есть промежутки.
- Молекулы находятся в непрестанном хаотическом движении
- Молекулы взаимодействуют силами притяжения и отталкивания.
Возьмем пачку кофе и откроем ее. Чувствуете запах? Почему кофе мы можем почувствовать запах кофе? Благодаря явлению диффузии.
Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
Проведем эксперимент. От чего зависит скорость диффузии? Возьмем банку с холодной водой и банку с горячей водой. Поместим туда ложечку кофе. Можно видеть, что горячая вода начала сразу окрашиваться, а холодная – нет. Это связано с тем, что чем выше температура, тем больше скорость теплового движения молекул, поэтому завариваем кофе мы всегда в горячей воде.
Степень помола кофе
Процесс диффузии зависит также от степени помола кофе. Почему это важно? Дело в том, что растворение кофе начинается с поверхности, а значит, чем больше площадь поверхности, тем быстрее будет происходить диффузия. Рассчитаем, какова общая площадь всех частичек кофе в чайной ложке в зависимости от степени помола. Для простоты частичку кофе можно считать кубиком. Объем куба пропорционален ребру в кубе, а площадь ребру в квадрате. Поэтому чем меньше кубик, тем больше будет общая площадь поверхности. Результаты расчета внесем в таблицу.
Из таблицы видно, что действительно площадь частиц обратно пропорциональна размеру.
Кофе мелкого помола будет завариваться быстрее, но он быстрее теряет аромат. Если понюхать кофе для турки, продающийся в обычном магазине, можно ощутить аромат слабый, а порой и не очень приятный. Поэтому любители кофе в турке обычно пользуются кофемолкой, и мелют кофе непосредственно перед приготовлением.
Заваривать кофе мелкого помола во френч-прессе может быть очень неудобно. Когда мы завариваем кофе в френч-прессе, физики говорят о пороге перколяции. В системе с крупными порами могут возникать пути, через которые протекает вода, и она профильтровывается при движении поршня. С мелкими зернами кофе поры будут мельче, и путей для протекания воды почти не будет (см. рис.). Тогда при движении поршня будет создаваться большое давление, и горячая вода может вырваться фонтаном через носик. Я однажды так себе руку обожгла.
Энергия кофемашины
Итак, можно заваривать кофе в турке или френч-прессе, а можно воспользоваться современной техникой - кофемашиной.
Кофемашина пропускает через кофейный порошок горячую воду при температуре около 90 ºС, также для приготовления молочной пенки используется горячий пар под давлением. Давайте на основе знаний физики рассчитаем, какая минимальная энергия требуется для приготовления чашечки кофе. Основные формулы для этого нам известны из курса физики 8 класса.
Количество теплоты - аддитивная физическая величина, и общее количество теплоты, затрачиваемое на кофе, будет равно сумме количеств теплоты на нагревание и на парообразование. Чтобы оценить, справится ли кофемашина за минуту, надо мощность умножить на время, и посмотреть, будет ли получившаяся энергия больше, чем требуется.
Итак, мы приготовили кофе, теперь надо его выпить.
Питьё и атмосферное давление
Если вы посмотрите на крышку одноразового стакана, то увидите там, кроме отверстия, из которого пьют, ещё одну дырочку:
Зачем же она нужна? Проведем эксперимент. Залепим дырочку скотчем и будем выливать воду из стакана. Вода выливается рывками. Это происходит потому, что при закрытой крышке создается область пониженного давления, и внешнее атмосферное давление мешает выливать воду. Если открыть дырочку, вода будет выливаться ровно, так как проникающий через дырочку воздух имеет атмосферное давление и выравнивает давление снаружи и внутри стакана.
Атмосферное давление также помогает нам пить кофе через трубочку. Именно оно заталкивает воду в трубочку, когда во рту создается область пониженного давления. Не верите? Попробуйте что-нибудь выпить через трубочку с открытым ртом. У вас ничего не выйдет!
Давайте рассчитаем, какая разность давлений обеспечивает нам питьё через трубочку. Об этом следующая задачка.
Это классическая задача решается по простой формуле давления столба жидкости. Главное, что получившаяся разность давлений меньше атмосферного давления, значит, выпить через такую трубочку мы вполне сможем.
Как вылить кофе из чашки?
При выливании кофе из чашки нас может ждать неприятный сюрприз: вода стекает по чашке и выливается не туда, куда надо, а на скатерть или прямо на нас. "Виновата" в этом сила поверхностного натяжения, которая стремится "приклеить" жидкость к чашке. Если сила тяжести, действующая на струю, недостаточна, то сила поверхностного натяжения одерживает победу, и вода стекает по чашке.
Что же делать? Мы знаем, что сила поверхностного натяжения зависит от коэффициента поверхностного натяжения и длины области соприкосновения. Если смазать край чашки воском - уменьшить коэффициент поверхностного натяжения, то вода будет выливаться ровно.
Довольно часто на чашках делают золотистые ободки, из таких чашек вода выливается ровнее. Кроме того, можно влиять на другой фактор - периметр области соприкосновения. Для этого делают "носики", например у молочников, чайников, френч-прессов.
Задачка на любителя. Кофе со льдом
Давайте напоследок решим ещё одну задачу. Представим, что мы хотим охладить кофе и добавим туда кубик льда. До какой температуры охладится кофе, когда лёд растает? Уравнение теплового баланса поможет найти ответ на этот вопрос.
Это классическая школьная задача, которая может встретиться и в ОГЭ, и в ЕГЭ. Обычно при решении задач мы пренебрегаем теплообменом с другими телами. В жизни, конечно, это бывает редко (нам ведь не подают кофе в калориметре), но тем не менее для прикидки такое решение использовать можно.
Подводим итоги
Хорошая чашечка кофе - это целая Вселенная, содержащая множество физических явлений, а также технических деталей, и поговорить о них всех у нас просто не хватит времени. Поэтому надо на чем-то завершиться, а для привлечения внимания вот такая картиночка: