Ο νόμος για το ιδανικό αέριο στα τρόφιμα

Έχετε φτιάξει ποτέ σουφλέ; Έχετε βιώσει αυτή τη συγκίνηση όταν φουσκώνουν ψηλά στο φούρνο; Φαίνεσαι τόσο όμορφος και ανάλαφρος; Αλλά να απογοητευτείτε βαριά όταν βυθιστούν ξανά όταν κρυώσουν έξω από το φούρνο;

Έχετε καλύψει ποτέ ένα αυγό σε ένα τηγάνι με καπάκι και το έχετε δει να διογκώνεται πάρα πολύ, για να καταρρεύσει ξανά όταν αφαιρέσετε το καπάκι; Ή, έχετε δει να σηκώνεται το κέικ στο φούρνο; Ή είδατε πώς αυτές οι ανεπιτήδευτες μπάλες ζύμης choux γίνονται ελαφριά εκλέρ στο φούρνο;

Αν ναι, έχετε δει τον ιδανικό νόμο αερίου να λειτουργεί. Τα αέρια συρρικνώνονται και διαστέλλονται συνεχώς όταν μαγειρεύετε και ψήνετε. Και γνωρίζοντας πώς ακριβώς λειτουργεί αυτός ο νόμος για τα αέρια, μπορεί τουλάχιστον να σας βοηθήσει να εξηγήσετε στους συντρόφους σας γιατί κατέρρευσαν αυτά τα σουφλέ ή ακόμα και να σας βοηθήσει να αποτρέψετε την πλήρη κατάρρευσή τους.

Αλλαγές φάσης – Στερεό – υγρό – αέριο

Τα αέρια μπορεί να σας θυμίζουν το οξυγόνο που αναπνέουμε γύρω μας ή το διοξείδιο του άνθρακα που βγαίνει από τους κινητήρες του αυτοκινήτου μας. Αλλά αυτός ο ατμός για το ζεστό φλιτζάνι του τσαγιού σας είναι επίσης αέριο. Όλες αυτές οι φυσαλίδες αέρα μέσα στο ψωμί σας είναι επίσης γεμάτες με αέριο.

Τα αέρια είναι μόνο μια κατάσταση της ύλης. Τα άλλα δύο κοινά στα τρόφιμα είναι τα στερεά και τα υγρά. Το ιδιαίτερο με ένα αέριο είναι ότι σε ένα αέριο όλα τα μόρια που συνθέτουν αυτό το αέριο μπορούν λίγο πολύ να κινούνται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο.

Σε αντίθεση με ένα στερεό (π.χ. ένα παγάκι), όπου όλα τα μόρια είναι στερεωμένα στη θέση τους ή σε ένα υγρό, όπου τα μόρια τραβούν το ένα το άλλο, τα μόρια έχουν μεγάλη ελευθερία σε ένα αέριο. Τόσο πολύ που θα διανεμηθούν σε όποιο χώρο παγιδευτούν. Αυτό μπορεί να είναι μέσα σε μια τσέπη αέρα σε μια ζύμη ψωμιού ή μέσα σε μια κατσαρόλα με βραστό νερό.

Περιγραφή της συμπεριφοράς αερίου:ο νόμος του ιδανικού αερίου.

Αυτή η ανεξάρτητη συμπεριφορά κάνει τα αέρια να κάνουν ενδιαφέροντα πράγματα και αυτά τα πράγματα μπορούν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας τον νόμο των ιδανικών αερίων. Όπως λέει και το όνομα, αυτός ο νόμος περιγράφει τη συμπεριφορά ενός ιδανικού αερίου. Στην πραγματικότητα, τα περισσότερα αέρια δεν είναι ιδανικά. Ωστόσο, αυτές οι βασικές έννοιες ισχύουν αρκετά καλά στα περισσότερα τρόφιμα για να σας βοηθήσουν να εξηγήσετε αυτή τη ζύμη choux, το σουφλέ ή τη ζύμη ψωμιού.

Ο νόμος του ιδανικού αερίου περιγράφει πώς συμπεριφέρονται τα αέρια κάτω από ποικίλες θερμοκρασίες, πιέσεις και όγκους. Μπορεί να εκφραστεί με έναν πολύ απλό τύπο:

p * V =n * R * T

Πού:

• p =πίεση (η μονάδα είναι Pa)
• V =όγκος (μονάδα =m)
• n =αριθμός μορίων (εκφρασμένος στη μονάδα "moles")
• R =σταθερά αερίου, αυτός είναι ένας σταθερός αριθμός που θα είναι πάντα ο ίδιος (8.314 J/molK)
• T =θερμοκρασία (μονάδα =Kelvin)

Αυτός ο τύπος σάς λέει ότι αν πολλαπλασιάσετε την πίεση του χώρου που βρίσκεται το αέριο με τον όγκο αυτού του χώρου, αυτό το αποτέλεσμα είναι πανομοιότυπο με τον πολλαπλασιασμό του αριθμού των μορίων αερίου που υπάρχουν, μια συγκεκριμένη σταθερά και τη θερμοκρασία.

Η χρήση του όμως για τους μάγειρες είναι κυρίως όταν ξεκινάτε να συγκρίνετε σενάρια. Εάν έχετε αέριο σε ένα συγκεκριμένο χώρο (π.χ. μια φυσαλίδα αέρα στη ζύμη του ψωμιού σας). Μπορείτε να υποθέσετε προς το παρόν ότι η ποσότητα των μορίων είναι σταθερή, όπως και η σταθερά του αερίου.

Στο φούρνο η θερμοκρασία αυξάνεται. Ως εκ τούτου, n * R * T γίνεται μεγαλύτερη αξία. Ως εκ τούτου, p * V πρέπει επίσης να γίνει μεγαλύτερο. Σε αυτήν την περίπτωση που θα οδηγήσει σε αύξηση του όγκου, το αέριο μέσα σε αυτήν τη φυσαλίδα διαστέλλεται λόγω της θερμότητας.

Αυτοί οι τύποι μεταβολών της θερμοκρασίας συμβαίνουν στα τρόφιμα όλη την ώρα και ακόμη και ο αριθμός των μορίων μπορεί να αλλάξει όπως και ο όγκος! Τα ακόλουθα παραδείγματα θα ζωντανέψουν μερικά από αυτά τα σενάρια.

Γιατί δεν είναι ιδανικά τα «πραγματικά» αέρια;

Στον νόμο του ιδανικού αερίου, οι επιστήμονες κάνουν μερικές υποθέσεις σχετικά με αυτό το αέριο. Πρώτα απ 'όλα, υποθέτετε ότι τα μόρια που αποτελούν ένα αέριο δεν έχουν καμία έλξη μεταξύ τους. Δεν κολλάνε το ένα με το άλλο, δεν πιέζουν ή τραβούν το ένα το άλλο. Δεύτερον, υποθέτετε ότι τα ίδια τα μόρια του αερίου δεν καταλαμβάνουν πραγματικά χώρο.

Στην πραγματική ζωή και οι δύο υποθέσεις δεν είναι σωστές. Ωστόσο, όταν παραμένετε κοντά σε μέτριες θερμοκρασίες όπως η θερμοκρασία δωματίου και η ατμοσφαιρική πίεση, πολλά αέρια συμπεριφέρονται αρκετά ιδανικά. Για πολύ διαφορετικές πιέσεις και θερμοκρασίες, αυτή η υπόθεση δεν ισχύει, αλλά στα τρόφιμα τείνουμε να παραμένουμε αρκετά κοντά σε αυτές τις «κανονικές» συνθήκες, καθιστώντας τον νόμο του ιδανικού αερίου ένα χρήσιμο εργαλείο!

Παράδειγμα νόμου περί ιδανικών αερίων 1 – Ποπ κορν που σκάει

Φανταστείτε ένα δοχείο (ή έναν τεράστιο πυρήνα από ποπ κορν) 1 m σε θερμοκρασία 300 K (27°C) και πίεση 100.000 Pa. Χρησιμοποιώντας αυτές τις τρεις μεταβλητές μπορείτε να υπολογίσετε πόσα mol αερίου βρίσκονται σε αυτόν τον τεράστιο πυρήνα καλαμποκιού :

p * V =n * R * T

Αυτό μπορεί να ξαναγραφτεί στη διεύθυνση:

n =(p * V) / (R * T)

Το οποίο στη συνέχεια δίνει:

n =(100.000 * 1) / (8.314 * 300) =  40 moles

Τώρα θα πάρουμε αυτό το φανταστικό κουκούτσι καλαμποκιού και θα το θερμάνουμε στους 400K (127°C). Θυμηθείτε ότι οι κόκκοι καλαμποκιού είναι πραγματικά δυνατοί και άκαμπτοι. Δεν παραμορφώνεται υπό πίεση και δεν υπάρχει τρόπος να πάνε τα μόρια μας έξω. (Στην πραγματικότητα θα σχηματιστούν περισσότερα μόρια αερίου λόγω της εξάτμισης του νερού μέσα στον πυρήνα, αλλά θα τα παραμελήσουμε προς το παρόν.) Ως εκ τούτου, γνωρίζουμε ότι στον τύπο τρία πράγματα παραμένουν ίδια:n, V και R.

Έτσι, για να εξομαλυνθεί η αριστερή και η δεξιά πλευρά της φόρμουλας, η πίεση πρέπει να αλλάξει. Και αυτό ακριβώς συμβαίνει όταν ζεσταίνουμε ένα κουκούτσι καλαμποκιού:

p * V =n * R * T

Αυτό μπορεί να ξαναγραφτεί στη διεύθυνση:

p =(n * R * T) / V

Το οποίο σας δίνει στη συνέχεια:

p =(40 x 8.314 x 400) / 1 =133.333 Pa.

Θυμηθείτε πώς η πίεση ήταν 100.000 Pa στην αρχή. Με άλλα λόγια, έχει αλλάξει αρκετά! Η συσσώρευση πίεσης μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο εάν το σκάφος ή ο πυρήνας σας είναι αρκετά ισχυρό για να χειριστεί την πίεση. Ακόμη και ένας πυρήνας ποπ κορν θα σπάσει κάποια στιγμή, όταν η πίεση είναι πολύ υψηλή για να συγκρατηθεί το αέριο.

Παράδειγμα 2 του νόμου περί ιδανικών αερίων – Ψήσιμο σουφλέ

Τώρα φανταστείτε αυτό το ίδιο δοχείο του 1 m, στους 300K (27°C), μια πίεση 100.000 Pa και με αυτά τα 40 moles αερίου μέσα. Και πάλι ζεσταίνουμε το δοχείο. Τώρα φανταστείτε όμως ότι αυτό το σκάφος δεν είναι καθόλου άκαμπτο. Αντίθετα, είναι ένα κουρκούτι για σουφλέ. Τα κουρκούτι για σουφλέ είναι πολύ ευαίσθητα και μαλακά. Τείνουν να περιέχουν χτυπημένα αφράτα ασπράδια αυγών, γεμάτα φυσαλίδες αερίου. Ας ζεστάνουμε αυτό το κουρκούτι στα 400 K.

Και πάλι, υποθέτουμε ότι δεν σχηματίζονται ή εξαφανίζονται νέα αέρια (κάτι που δεν είναι απολύτως αληθές στην πραγματικότητα!).

Μπορεί να περιμένετε ότι η πίεση θα ανέβει ξανά, όπως είδαμε στο παράδειγμα του ποπ κορν. Ωστόσο, αυτό το κουρκούτι για σουφλέ δεν είναι τόσο δυνατό όσο το άκαμπτο δοχείο! Το κουρκούτι του σουφλέ δεν μπορεί να κρατήσει το σχήμα του υπό αυξημένη πίεση, επομένως, πρέπει να υποθέσουμε ότι η πίεση μέσα στο σουφλέ παραμένει η ίδια, αυτή του περιβάλλοντος αέρα. Τι θα συμβεί λοιπόν;

p * V =n * R * T

Το οποίο γράφουμε τώρα ως (αφού γνωρίζουμε τις τιμές n, R, T και p):

V =(n * R * T) / p

V =(40 x 8.314 x 400) / 100.000 =1,3 m

Το κουρκούτι για σουφλέ μεγάλωσε σε μέγεθος, ξεκίνησε ως 1 m!

Μια μεγάλη πρόκληση με τα σουφλέ είναι πάντα να μην καταρρεύσουν αφού τα βγάλετε από το φούρνο. Δυστυχώς, αυτό λειτουργεί μόνο εάν το σουφλέ σας είναι αρκετά άκαμπτο ώστε να διατηρεί το σχήμα του και να αντιστέκεται σε αυτή την αλλαγή πίεσης. Ένα σουφλέ, ακόμα και μαγειρεμένο, έχει μια πολύ λεπτή δομή και δεν μπορεί να το χειριστεί αυτό. Επομένως, η μείωση της θερμοκρασίας θα έχει πάντα ως αποτέλεσμα τουλάχιστον κάποια μείωση του όγκου.

Παράδειγμα 3 νόμου περί ιδανικών αερίων – Ψήσιμο κέικ

Σε πολλά τρόφιμα ο αριθμός των μορίων αερίων σε ένα τρόφιμο δεν είναι σταθερός. Κατά το ψήσιμο ενός κέικ, το σκάσιμο ποπ κορν ή το ψήσιμο ενός σουφλέ θα σχηματιστούν νέα αέρια. Το νερό μπορεί να εξατμιστεί σε αέριο και διογκωτικοί παράγοντες όπως το μπέικιν πάουντερ μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό αερίου διοξειδίου του άνθρακα. το νερό θα εξατμιστεί.

Ας επιστρέψουμε λοιπόν στο ίδιο σενάριο από τα δύο προηγούμενα παραδείγματα, αλλά σε αυτήν την περίπτωση είναι ένα κουρκούτι για κέικ:με 40 moles αερίου, θερμοκρασία 300K, όγκο 1man και πίεση 100.000 Pa. Ανεβάζουμε ξανά τη θερμοκρασία έως 400 χιλ. Ωστόσο, αυτή τη φορά, πολλά νέα μόρια αερίου σχηματίζονται χάρη στο μπέικιν πάουντερ και το νερό που εξατμίζεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα συνολικά 60 mol μορίων αερίου.

Δεδομένου ότι η ζύμη του κέικ δεν είναι πολύ δυνατή, δεν θα μπορεί να αντέξει υψηλότερες πιέσεις, επομένως η πίεση θα παραμείνει σταθερή. Ως αποτέλεσμα, η ένταση θα πρέπει να αλλάξει ξανά:

p * V =n * R * T

V =(n * R * T) / p

V =(60 * 8.314 * 400) / 100.000 =2,0 m

Δείτε πόσο μεγαλύτερο έχει γίνει αυτό το κέικ σε σύγκριση με το προηγούμενο παράδειγμα; Ένα καλά ψημένο κουρκούτι για κέικ είναι πιο δυνατό από ένα σουφλέ. Ως εκ τούτου, θα είναι σε θέση να αντέξει την πτώση της θερμοκρασίας μόλις ληφθεί από το φούρνο. Αλλά, μόνο όταν είναι καλά ψημένο. Εάν βγάλετε ένα κέικ από το φούρνο πολύ νωρίς, μπορεί να καταρρεύσει προκαλώντας το να χάσει μερικά από αυτά τα αέρια. Ακόμα κι αν το βάλατε ξανά στο φούρνο, η απώλεια αυτών των αερίων θα καταστήσει σχεδόν αδύνατο να επιστρέψει στο αρχικό του μέγεθος.

Συνδυασμός δυνάμεων

Στα περισσότερα φαγητά είναι ο συνδυασμός αυτών των τριών παραδειγμάτων που κάνει την ιστορία ολοκληρωμένη. Στην περίπτωση του ποπ κορν ο αριθμός των μορίων αερίου αυξάνεται επίσης επειδή όλο και περισσότερο νερό θα εξατμίζεται και θα μετατρέπεται σε αέριο. Το ίδιο και για το σουφλέ. Το νερό στο σουφλέ θα εξατμιστεί και θα γίνει αέριο και θα συμμετάσχει σε αυτή την αέρια συμπεριφορά. Τι είναι ακόμα χειρότερο. Όταν βγάζετε το σουφλέ από το φούρνο, λίγο από αυτό το νερό θα συμπυκνωθεί ξανά. Αυτό θα συμβάλει στη συρρίκνωση του σουφλέ ακόμα περισσότερο.

Συχνά, πολλές περισσότερες διαδικασίες παίζουν επίσης ρόλο. Οι δομές δεν τείνουν να είναι ούτε εξαιρετικά άκαμπτες ούτε εξαιρετικά εύκαμπτες, αντίθετα πιθανότατα η πίεση, ο όγκος, ο αριθμός των μορίων αερίου και η θερμοκρασία θα αλλάξουν ταυτόχρονα. Ή μερικά μπορεί να ξεκινήσουν από την αρχή της διαδικασίας μαγειρέματος, ενώ άλλα αλλάζουν προς το τέλος. Τούτου λεχθέντος, ωστόσο, δεν χρειάζεται να κατανοήσετε κάθε λεπτομέρεια, για να συνεχίσετε να κατανοείτε αυτές τις βασικές έννοιες!

Θέλετε άλλο ένα εξαιρετικό παράδειγμα αερίου στην εργασία; Διαβάστε περισσότερα για τη ζύμη choux. Μια μαλακή υγρή, χωρίς αέρα ζύμη ζαχαροπλαστικής φουσκώνει σε αυτές τις εκπληκτικά αέρινες σφολιάτες. Είναι ένας συνδυασμός αύξησης των μορίων αερίου, διευρύνοντας το κτύπημα.

Αναφορές

Khan Academy, Ποιος είναι ο νόμος του ιδανικού αερίου;, σύνδεσμος