المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الحرارة

درجة الحرارة

العازل الحراري

مقدمة

هل سبق أن فكَّرت في أن تفاجئ زملاء فصلك بصنع الآيس كريم لهم، ولكنك تساءلت كيف يمكنك أخذه إلى المدرسة قبل أن يذوب؟

قد تساعد حقيبة معزولة أو مبرِّد ممتلئ بالثلج على حفظ الحلوى التي صنعتها باردة لمدة كافية، وباستخدام نفس المبادئ، يمكنك حتى أن تخبز الآيس الكريم في فرن ساخن ومع ذلك يخرج منه متجمدًا!

هذا النشاط سيوضح لك كيف تفعل ذلك.

الخلفية العلمية

الحرارة هي الطاقة التي تتدفَّق تلقائيًا من درجة حرارة أعلى إلى درجة أدنى، ويمكن لهذه الطاقة أن تتدفق بثلاث طرق: أحيانًا تكون محمولة بحركة الموائع (السوائل أو الغازات) وهو ما يعرف بالحمل الحراري. ومثال ذلك عندما يتدفق الهواء الساخن من الفرن إلى مناطق أبرد.

وفي أحيان أخرى، يحمل الإشعاع هذه الطاقة، لعلك اختبرتَ ذلك عندما تتوهج شبكة الفرن باللون الأحمر فيمكنك الشعور بالحرارة التي تشعّها، والاتصال المباشر هو الطريقة الثالثة التي يمكن لهذه الطاقة أن تتدفق بها من مكان أو جسم إلى آخر، إنك تعرف ذلك عندما تلمس شيئًا ساخنًا فتحرق جلدك!

يمكننا أن نمنع هذه الطاقة من التدفق باستخدام العوازل الحرارية، والتي تكون مصنوعة من مواد تعيق تدفق الحرارة، ويمكن لعازل يوضع داخل مبرِّد أو حقيبة معزولة أن يمنع دخول الحرارة، كما يمكن ذلك للقارورة الحافظة للحرارة (الترموس).

للحفاظ على الآيس كريم متجمدًا داخل فرن ساخن، يجب أن تحميه بعوازل حرارية، ومن حسن الحظ أن بعض الحلويات المخبوزة تُعد عوازل ممتازة. الكعكة الإسفنجية والميرنج مثالان جيدان على ذلك، هل يمكنك أن تعرف السبب؟

يمكن أن تقودك أوجه التشابه بين هذه المنتجات المخبوزة والعوازل الحرارية الأخرى مثل أكواب الورق المقوى، أو الريش الزغبي، أو الثياب متعددة الطبقات، في الاتجاه الصحيح لمعرفة السبب!

المواد المستخدمة

  • وعاءان عميقان مستديران، يُفضَّل أن يكونا متطابقين، يمكن وضعهما داخل المجمد
  • غشاء بلاستيكي أو غلاف بلاستيكي
  • آيس كريم
  • ملعقة
  • مجمد
  • كعكة إسفنجية، يزيد قطرها عن قطر الوعاء العميق بنحو بوصة واحدة
  • ثلاثة من بياض البيض في درجة حرارة الغرفة
  • كوب من السكر الأبيض
  • نصف ملعقة صغيرة من كريمة التارتار
  • خلاط كهربائي محمول
  • وعاء خلط
  • سكين بسط
  • اثنان من صواني الكعك، إحداهما على الأقل لها نفس حجم الكعكة الإسفنجية
  • فرن
  • قفازات فرن
  • سكين لقطع الكعكة
  • مساعد بالغ (بعض الخطوات في هذا النشاط، مثل خطوة تشغيل الخلاط الكهربائي واستخدام الفرن الساخن، تتطلب مساعدة أحد البالغين)

الإعداد للتجربة

  • كي تصنع قالب آيس كريم، قم بتغطية داخل الوعاء المستدير بطبقتين من الغشاء أو الغطاء البلاستيكي، واطوِ الزيادات حول الحافة، البلاستيك سوف يسهِّل إزالة الآيس كريم من الوعاء.
  • كرِّر ذلك مع الوعاء الآخر.
  • املأ القالبين بالآيس كريم، إذا كان الآيس كريم متجمدًا للغاية، اتركه خارج المجمد لبضع دقائق ثم أعِد المحاولة، اضغط الآيس كريم جيدًا كي لا يكون هناك أي جيوب هوائية داخله ثم قم بتسوية سطحه العلوي.
  • ضع القالبين المليئين بالآيس كريم داخل المجمد لمدة ساعة على الأقل، سوف يُوضع هذا الآيس كريم في فرن ساخن لاحقًا في هذا النشاط.

الخطوات

  • سخِّن الفرن لدرجة حرارة 400 درجة فهرنهايت، هل لديك أي فكرة عن كيفية وضع الآيس كريم داخل فرن بدرجة حرارة 400 درجة فهرنهايت دون أن يذوب؟
  • صب بياض البيض في وعاء الخلط، واطلب من أحد البالغين أن يساعدك على خفقه باستخدام الخلاط الكهربائي بسرعة متوسطة، شاهد كيف يتحوَّل سائل بياض البيض الشفاف إلى رغوة بيضاء. هل رأيت كيف تغيَّر حجم بياض البيض خلال هذه العملية؟ لماذا يحدث ذلك في رأيك؟
  • أضِف كريمة التارتار، واطلب من المساعد البالغ الاستمرار في الخفق إلى أن تتكون قمم لينة عند رفع مضارب الخفق، سوف تلتف القمم، ولا بأس بذلك.
  • أضِف كمية قليلة من السكر، واطلب من أحد البالغين أن يخفقه في الرغوة بسرعة عالية، كرِّر هذا إلى أن تنتهي من إضافة السكر كله ويذوب في بياض البيض. إذا بدا الخليط لامعًا وظلت القمم منتصبة عند رفع المضارب، فقد قمت بالمطلوب على النحو الصحيح! يسمى هذا الخليط ميرنج.
  • اطلب من أحد البالغين فصل الخلاط الكهربائي وإزالة المضارب، يمكنك غسل المضارب مع باقي الأدوات لاحقًا.
  • بعد لحظات سوف تجمّع الكعكة، ابدأ في ذلك قبل نحو 20 دقيقة من الموعد الذي تنوي تناولها فيه. تأكَّد أن الفرن أصبح ساخنًا قبل أن تبدأ في التجميع.
  • لتجميع الكعكة: ضع الكعكة الإسفنجية في منتصف صينية الكعك.
  • أخرِج أحد قالبي الآيس كريم من المجمد، واستخدم البلاستيك لإزالة الآيس كريم من القالب، اقلب الآيس كريم وضع سطحه المستوي في منتصف الكعكة الإسفنجية، أزل البلاستيك.
  • استخدم سكين البسط لتغطية الآيس كريم والأجزاء الظاهرة من الكعكة الإسفنجية بطبقة سميكة من الميرنج.
  • اطلب من أحد البالغين أن يضع الصينية في الفرن الساخن.
  • اتركها داخل الفرن نحو 10 دقائق، حتى يتحوَّل لون الطبقة الخارجية من الميرنج إلى اللون البني.
  • ماذا سيحدث في رأيك للآيس كريم المجمد عند وضعه في فرن ساخن؟
  • لكي تختبر توقعاتك، أخرِج قالب الآيس كريم الآخر من المجمد، وأزل القالب واقلب الآيس كريم على صينية الكعك الأخرى. أزل البلاستيك، واطلب من أحد البالغين أن يضع هذه الصينية في الفرن. راقب ماذا يحدث.
  • عندما تُخبز الكعكة، اطلب من المساعد البالغ أن يخرجها من الفرن، يمكنك ترك الصينية الأخرى التي تحتوي على الآيس كريم فقط فترة إضافية إذ إنك أدخلتها في وقت لاحق. أطفئ الفرن.
  • اقطع ربع الكعكة وانظر في الداخل، هل لا يزال الآيس كريم باردًا ومتجمدًا أم أنه ذاب وأصبح سائلًا؟ كيف يختلف عن الآيس كريم الذي لا يزال في الفرن؟ ما الذي حافظ على الآيس كريم الموجود في قلب الكعكة باردًا في رأيك؟ ولماذا حافظ عليه باردًا؟
  • نشاط إضافي: هل تعتقد أن بإمكانك صنع كعك صغير محشو بالآيس كريم بحيث يكون قاع الكعكة من الكوكيز؟ ما نوع الكوكيز الذي ستستخدمه؟ جرِّب لتعلم إن كان هذا سيفلح!
  • نشاط إضافي: لماذا تتطلب الوصفة كعكة مخبوزة كطبقة سفلى؟ هل سيفلح وضع الآيس كريم على خليط كعك وخبز الخليط والميرنج في الوقت نفسه أيضًا؟ إذا كنت غير متأكد، فجرِّب!
  • نشاط إضافي: استخدم الأغراض التي تجدها في المنزل لصنع عازل يمكنه الحفاظ على كوب آيس كريم باردًا لمدة 20 دقيقة، ولكي تقيس أداء الابتكار الذي صنعته، خذ مكعبي ثلج متطابقين وضع أحدهما داخل العازل والآخر خارجه، انتظر 10 أو 20 دقيقة ثم قارن بين وزني مكعبي الثلج، أو كمية الماء الذائب من كل منهما، كلّما كان وزن المكعب الموجود داخل العازل أكبر مقارنة بالآخر الذي لم يكن معزولًا، أو كّلما كان الماء الذائب منه أقل، كان ابتكارك أفضل!

الملاحظات والنتائج

هل كان الآيس كريم الموجود في قلب الكعكة لا يزال باردًا ومتجمدًا؟ هل ذاب الآيس كريم غير المغطَّى سريعًا عند وضعه في فرن ساخن؟

تحتوي الكعكة الإسفنجية والميرنج على العديد من فقاعات الهواء المحصور داخلها، هذه الطبقة من الهواء الساكن تمنع دخول الحرارة، إنها كعازل حراري جيّد، ومن ثمَّ لا تسمح بتدفق الحرارة عبرها بسهولة، وبهذه الطريقة تحافظ على الآيس كريم البارد تحتها، على الأقل لبعض الوقت، إلا أنك إذا تركت الكعكة في الفرن الساخن فترة طويلة للغاية، فسوف يسخن ويذوب الآيس كريم في النهاية، ولا بدَّ أنك لاحظت أن ذلك يحدث أسرع بكثير في غياب حماية الكعكة الإسفنجية والميرنج.

عادةً ما تستخدم الحقائب المعزولة والمبرِّدات طبقة ساكنة من الهواء لمنع الحرارة من التدفق عبر الجدران، تمامًا مثل الكعكة والميرنج.

تنظيف محيط التجربة

نظِّف منطقة العمل واغسل جميع الأدوات والأوعية بالماء والصابون.

هذا النشاط مقدم لكم بالاشتراك مع "ساينس باديز"