آزمایش خنک کردن نوشیدنی در کمترین زمان

قطعا تا الان با این مسئله موجه شده‌اید که در هوای گرم تابستانی وارد خانه می‌شوید؛ و تنها چیزی که دوست دارید، یک نوشیدنی دلچسب و خنک است. اما نوشیدنی را برمی‌دارید و متوجه می‌شوید که اصلا خنک نیست! حالا چه راهکاری وجود دارد تا نوشیدنی را در کمترین زمان خنک کنیم؟ راه که زیاد است، اما به دردمان نمی‌خورند. یخچال که زمان زیادی می‌برد و فریزر هم در زمان مورد نیاز پاسخگو نیست. راه حل این مشکل ما، در دستان گرم علم فیزیک است. در ادامه، آزمایش خنک کردن نوشیدنی را انجام می‌دهیم.

قوانین جدید در علم فیزیک

اگر مقالات اخیر ما در مورد علم فیزیک و پدیده‌هایش را مطالعه کرده باشید، قطعا می‌دانید که چند قانون کاربردی و نسبتا ساده را مورد بررسی قرار داده‌ایم. از یک قانون شناخته‌شده مثل جاذبه گرفته تا قوانین مکانیک. اما این بار، هدف ما آَشنا کردن شما با پدیده گرما و انتقال آن است. البته در مقالات گذشته، توضیحات کوچک و پخش و پلایی را در این مورد داده‌ایم. اما آن‌ها چیزهای خاصی نبودند و اصل ماجرا این‌جاست. آزمایش خنک کردن نوشیدنی در کمترین زمان، از آن آزمایش‌ها است که با یک تیر دو نشان می‌زند. از یک طرف بسیار کاربردی و مفید است، و از طرف دیگر، زیبایی علم فیزیک را بهتر از همیشه نشان می‌دهد. برای اینکه بتوانید از این پروژه بیشترین بهره را ببرید، باید تحقیقات پیشینه‌ای را در مورد انتقال گرما و خود گرما انجام دهید. در ادامه مطالب، به یک توضیح مختصر و مفید در مورد گرما پرداخته‌ایم که قطعا برای این آزمایش، مورد نیاز است. پس اگر دوست دارید که قوطی نوشابه‌تان را در کمترین زمان خنک کنید، همراه ما باشید.

نکاتی که قبل از آزمایش خنک کردن نوشیدنی باید بدانید

اول از همه باید به این سوال پاسخ بدهیم؛ گرما چیست؟ گرما، نوعی انرژی است که به آن “انرژی گرمایی” نیز می‌گویند. انرژی به هر صورتی که باشد، نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود. این جمله بسیار مهم، به قانون پایستگی انرژی مشهور است. انرژی، فقط می‌تواند از یک جسم، به جسم دیگر جابه‌جا شود. همین جابه‌جایی، می‌تواند کل معادلات را به هم بریزد. برای انتقال انرژی، معمولا چهار روش کلی وجود دارد که در ادامه، آن‌ها را خواهیم شناخت.

رسانش

رسانش، یعنی انتقال گرما توسط فعل و انفعالات مولکولی مستقیم، بدون حرکت جرم ماده. به عنوان مثال، وقتی آب داغ را در یک فنجان می‌ریزید، فنجان به زودی گرم‌تر می‌شود. برخورد مولکول‌های آب با سطح داخلی فنجان، انرژی را به فنجان منتقل، و آن را گرم می‌کند. به نظرتان، رسانش چه نقشی در آزمایش خنک کردن نوشیدنی دارد؟

تابش

در بسیاری از چیزهایی که در طول روز می‌بینید، این تابش است که گرما را منتقل می‌کند. تابش، به وسیله مادون قرمز صورت می‌پذیرد که فراتر از طیف مرئی است. پس طبیعتا آن را نمی‌بینیم. اما وجودش را به خوبی حس می‌کنیم. بهترین مثال برای تابش، خورشید است. آیا تابش هم به آزمایش خنک کردن نوشیدنی مربوط است؟

همرفت

همرفت، انتقال گرما با حرکت جرم است. احتمالا این جمله را شنیده‌اید که می‌گوید “هوای گرم بالا می رود”. این اتفاق می‌افتد، زیرا چگالی هوای گرم‌تر، کمتر از هوای سردتر است. با بالا آمدن هوای گرم، جریان‌های هوا ایجاد می‌شود. این جریان‌های گردشی برای انتقال گرما عمل می‌کنند و نمونه‌ای از همرفت هستند. آیا همرفت هم در آزمایش ما موثر است؟

تبخیر

تبخیر یکی دیگر از روش‌های انتقال گرما است. وقتی مولکول‌های مایع بخار می‌شوند، از مایع به اتمسفر فرار می‌کنند. این گذار به انرژی نیاز دارد. زیرا یک مولکول در فاز بخار دارای انرژی بیشتری نسبت به یک مولکول در فاز مایع است. بنابراین، هنگامی که مولکول‌ها از مایع تبخیر می‌شوند، انرژی را از مایع گرفته و آن را خنک می‌کنند. ممکن است که تبخیر هم در آزمایش خنک کردن نوشیدنی موثر باشد!

و حالا پیش به سوی آزمایش خنک کردن نوشیدنی

وسایل مورد نیاز: 12 عدد نوشابه قوطی  –  دماسنج دیجیتال  –  دو عدد کائوچو  –  یخ‌های قالبی  –  آب  –  تایمر یا هر وسیله‌ای که زمان بگیرد  –  پوشش پلاستیکی

مرحله اول

به هر اندازه که دوست دارید، کائوچو را پر از یخ کنید. جوری یخ بریزید که برای پوشاندن سه عدد نوشابه کافی باشد.

مرحله دوم آزمایش خنک کردن نوشیدنی

کائوچوی دومی را بردارید و آن را پر از آب و یخ کنید. یادتان باشد که کائوچوی اولی بدون آب بود.

مرحله سوم

با استفاده از دماسنج، دمای درون فریزر، یخچال، کائوچوی یخ، کائوچوی آب و یخ و خود نوشابه‌ها را اندازه بگیرید. باید در نوشابه‌ها را باز کنید و سپس دمای مایع درون را اندازه بگیرید. وقتی دمای نوشابه‌ها را اندازه گرفتید، با یک پوشش پلاستیکی سر آن‌ها را بپوشیانید.

نکته: در هر مورد، قبل از ثبت نتیجه مطمئن شوید که دما تثبیت شده است. به عنوان مثال، ممکن است یک یا دو دقیقه طول بکشد تا دمای تعادل آب و یخ به نتیجه برسد. زیرا که آب به تازگی به یخ اضافه شده است.

مرحله چهارم آزمایش خنک کردن نوشیدنی

در هر کدام از خنک‌کننده‌ها (یخچال، فریزر، کائوچوی یخ و کائوچوی آب و یخ)، 3 عدد نوشابه قرار بدهید. زمان قرارگیری نوشابه درون هر خنک‌کننده را ثبت کنید.

مرحله پنجم

در فواصل منظم (به عنوان مثال، هر 5 دقیقه)، هر مجموعه قوطی را به سرعت از دستگاه خنک‌کننده خود خارج کرده و دمای نوشابه را اندازه بگیرید. هم زمان و هم دما را اندازه بگیرید. سپس قوطی‌ها را به سرعت در دستگاه خنک‌کننده قرار دهید.

مرحله ششم آزمایش خنک کردن نوشیدنی

این آزمایش زمانی کامل می‌شود که دمای نوشابه‌ها ثابت شود.

مرحله هفتم

برای هر دستگاه خنک‌کننده، میانگین دمای سه قوطی نوشابه را برای هر نقطه زمانی محاسبه کنید.

مرحله هشتم آزمایش خنک کردن نوشیدنی

یک نمودار از دمای متوسط نوشابه‌ها (محور x و y) در مقابل زمان سپری شده (بر حسب دقیقه) از آغاز آزمایش تهیه کنید. برای هر دستگاه خنک کننده از نماد و رنگ متفاوتی استفاده کنید.

مرحله نهم

حالا کدام یک از روش‌ها برای خنک کردن نوشابه بهتر و سریع‌تر بود؟ احتمالا شما هم به این نتیجه رسیده‌اید که کائوچوی آب و یخ بهتر بوده است. اما به هر حال آزمایش را انجام دهید و به نتیجه برسید!

از این آزمایش بسیار جذاب لذت بردید؟

به نظر من، این آزمایش یکی از جذاب‌ترین آزمایش‌های علم فیزیک است. زیرا همه چیز دارد. هم گرما را یاد می‌دهد، هم انرژی را بررسی می‌کند و هم در دنیای ما کاربردی است. خنک کردن نوشیدنی، یکی از نیازهای همیشگی ما است و علم فیزیک، روش‌های مختلف آن را بررسی کرده‌ است.

نویسنده: عجیب تو جیب

هرگونه کپی برداری از محتوا تنها با ذکر نام “عجیب تو جیب” و “درج لینک دقیق محتوا” در سایت مجاز است و در غیر این صورت و مشاهده‌ آن پیگرد قانونی دارد.