Fyzika na scéně – exploratorium pro žáky základních a středních škol reg. č.: CZ.1.07/1.1.04/03.0042

KULINÁŘSKÁ FYZIKA

Renata Holubová

Olomouc 2012

Zpracováno v rámci realizace projektu Evropského sociálního fondu a Olo-

mouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost:

Zvyšování kvality ve vzdělávání

Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.04/03.0042

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním roz-

počtem České republiky.

První vydání

© Gymnázium Olomouc, Čajkovského 9, 2012

ISBN 978-80-7329-316-1 (Repronis)

3

Obsah

Technické pomůcky používané v kuchyni 5

Chladničky a mrazničky 28

Papinův tlakový hrnec 34

Vybrané potraviny v kulinářské fyzice 37

Pokusy s ostatními pomůckami 61

5

Technické pomůcky používané v kuchyni

Kulinářská fyzika je mezioborová vědní disciplína, která využívá poznatků

fyziky, chemie, biologie, lékařství, matematiky a techniky. Kulinářská fyzika

studuje teorii přípravy potravin, fyzikální a chemické procesy, které probíhají

během různých úprav pokrmů. Součástí kulinářské fyziky je i studium technic-

kého zázemí, neboť bez vynálezů z oblasti fyziky a techniky, které využíváme

v kuchyni, by nebyla kuchyně taková, jako ji známe z každodenního života.

Součástí kulinářské fyziky jsou také poznatky o výživě, složení potravin, jejich

energetické hodnotě a zdravém způsobu stravování.

Mikrovlnná trouba

Mikrovlnná trouba byla objevena náhodně při experimentech s radary. Objev

využití mikrovln k ohřevu je připisován Američanu Percymu Spencerovi

(1946). Při pokusech s magnetronem zjistil, že se mu v kapse roztavily bonbó-

ny. Když k magnetronu přiblížil kukuřici, došlo k jejímu puknutí. Dr. Spenser

pochopil, že by takto šly ohřívat nejrůznější pokrmy. Svůj objev si nechal pa-

tentovat a již v roce 1947 byla zahájena výroba prvních mikrovlnných trub. Ve

svých začátcích byl magnetron chlazen vodou, ohřívací komora svou výškou

připomínala šatník. Cena dosahovala 5000 dolarů. Pro běžné využití

v domácnosti byl tento typ nevýhodný, drahý, pro domácnosti bylo třeba vyvi-

nout mnohem menší prototyp zařízení. Chlazení vodou bylo nahrazeno chlaze-

ním pomocí vzduchu. Výroba tohoto nového typu mikrovlnné trouby byla

zahájena v roce 1966. Cena těchto trub se pohybovala kolem 1300 dolarů. Nej-

větší rozvoj používání této techniky byl zaznamenán v 60. a 70. letech 20. sto-

letí, cena trub klesla na „pouhých“ 500 dolarů. Trouby byly nejvíce používány

na rozmrazování potravin. U nás mikrovlnnou troubu dnes používá přes 50 %

domácností, v Americe dokonce 90%. Výroba trub musí splňovat velmi přísné

bezpečnostní požadavky týkající se intenzity záření a zamezení jeho úniku do

volného prostoru. Odhaduje se, že v provozu je více než 200 milionů kusů

mikrovlnných trub.

Z historického pohledu je dále zajímavé, že teorie týkající se schopnosti elek-

tromagnetických vln centimetrové délky ohřívat vodu byly známy ještě před

experimentálním ověřením tohoto jevu. Kvantitativní popis předložil Paul

Debye, který odvodil rovnice, které dnes nesou jeho jméno (Debyeovy rovnice).

6

Popisují závislost reálné a komplexní složky relativní permitivity na frekvenci

záření.

Princip činnosti mikrovlnné trouby

Běžné mikrovlnné trouby v domácnostech používají frekvenci 2 450 MHz

a pracují s výkonem od 500 W do 1 100 W. Mikrovlny jsou generovány mag-

netronem a po zapnutí jsou rozptylovány do všech směrů. Při jejich dopadu na

kovové stěny mikrovlnné trouby se odrážejí a potraviny vložené do trouby

absorbují jejich energii. Na rozdíl od elektromagnetického vlnění jiných vlno-

vých délek, např. světla, které neproniká pod povrch látek, na které dopadá,

dokáží mikrovlny proniknout hluboko pod povrch látky. Vzhledem ke struktuře

molekul vody jsou tyto molekuly extrémně citlivé vůči dopadajícímu mikro-

vlnnému záření, rozkmitají se a látka se zahřívá. V důsledku odrazů vln od stěn,

vzniká uvnitř prostoru stojaté vlnění, tedy místa, kde jsou kmitny a uzly.

V místě kmiten je zahřátí látky největší, v místě uzlů prakticky nulové. Pro

rovnoměrné prohřátí se proto látka umisťuje na otočný talíř.

Obr. 1 Řez mikrovlnnou troubou (1 – vysokofrekvenční zdroj, 2 – magnetron,

3 – vlnovod, 4 – rozptylovač mikrovln, 5,6 – varný prostor)

Mikrovlny vyzařuje do vlnovodu krátká vysílací anténa na magnetronu nebo

invertoru. Tato vysílací elektronka je napájena vysokonapěťovým transformáto-

rem. Vlny vstupují vlnovodem do vnitřní komory trouby okénkem přes otáčejí-

cí se hliníkovou vrtulku (vířiče vln), který je odráží do nejrůznějších směrů,

z nichž se pak dále tisíckrát odrážejí o její lesklé stěny. Vrtulka se otáčí přibliž-

ně 50krát za minutu proudem vzduchu, který prohání kolem magnetronu

a transformátoru vrtulka ventilátoru, starající se o jejich ochlazení.

7

Obr. 2 Vnější pohled na mikrovlnnou troubu (1 – bezpečnostní zámek, 2 – sklo

dvířek, 3 – větrací otvory, 4 – vypínač mikrovlnky, 5 – časovač, 6 – tlačítko

otevírání dveří, 7 – náhon otočného talíře, 8 – otočný talíř)

Obr. 3 Magnetron

Obr. 4, 5 Pohled na magnetron shora

8

Co jsou mikrovlny?

Mikrovlny představují velmi krátké elektromagnetické centimetrové vlny

s vlnovou délkou asi 12,5 cm, které se šíří rychlostí světla. Vysílačem vln jsou

speciální druhy elektronek – tzv. magnetrony, popř. novější invertory.

V magnetronu se elektrická energie přeměňuje na energii elektromagnetického

záření. Jak název napovídá, hlavní část magnetronu tvoří prstencový magnet,

do něhož je vložena trubice (vakuovaná) se žhavicí katodou a rezonanční ko-

mory. Magnetron je napájen vysokofrekvenčním zdrojem. Žhavicí katoda pra-

cuje pod napětím řádově voltů, anoda magnetronu má napětí několik tisíc voltů.

Ze žhavicí katody se uvolňují elektrony, které se pohybují směrem k anodě, ale

vlivem magnetického pole se jejich trajektorie zakřivuje a stává se kruhovou.

Vysokofrekvenční kmity jsou indukovány uvolněnými elektrony v rezonan-

čních komorách. V tomto uspořádání hodnota frekvence kolísá. Existuje uspo-

řádání, které generuje vysokofrekvenční kmity s definovanou frekvencí – tzv.

klystron.

Mikrovlny jsou vlnovodem odváděny k prostoru, kde jsou rozptýleny tak, aby

pole uvnitř rezonátoru bylo pokud možno homogenní.

Magnetrony pracují s kontinuálním výkonem jen při nastavení plného výkonu

a při nastavení nižších stupňů pracují impulzně – se střídavým zapínáním

a vypínáním, zatímco invertory vyzařují nepřetržitý regulovatelný výkon. In-

vertor je rozměrově menší, což umožnilo zvětšení prostoru komory pro ohřívá-

ní a vaření. Mikrovlny se hojně užívají pro vysílání televize, v radarech pro

navigaci či pro telekomunikaci, zahrnující mobilní telefony. Mikrovlny se šíří

prostorem, odrážejí se od předmětů a jsou pohlcovány materiály, které obsahují

vodu, například potraviny. Takto pohlcená mikrovlnná energie se následně

mění v teplo.

Bezpečnost a rizika mikrovlnné trouby

Konstrukce mikrovlnných trub zajišťuje, že mikrovlny jsou uzavřeny uvnitř

trouby a mohou být zapnuty, jen když jsou zavřená dvířka trouby a současně je

zapnut elektrický spínač. Pronikání vln spáry u dvířek je omezené konstrukcí

tak, že úroveň vyzařování je bezpečně pod hodnotami doporučenými meziná-

rodními standardy. Ohřívání potravin v mikrovlnné troubě má svá specifika. Při

varu vody na obyčejném sporáku pára samovolně odchází bublinkami

v kapalině. V mikrovlnné troubě však na povrchu nemusejí být žádné bublinky,

voda se může přehřát a náhle vzkypět. Var vody může být vyvolán byť jen

9

jedinou bublinou v kapalině, či vniknutím cizího tělesa, například lžíce.

V mnoha případech se lidé s kontaktem s přehřátou vodou těžce popálili.

Dále se nedoporučuje mikrovlnnou troubu zapínat bez vložené potraviny.

V prázdném prostoru by došlo k odrážení mikrovln od stěn a jejich zpětnému

vrácení k magnetronu, což by jej mohlo vážně poškodit.

Další zvláštností mikrovlnných trub je různý příjem tepla u různých potravin.

Potraviny jsou složeny ze surovin, které se různě rychle ohřívají a v důsledku

velkých teplotních rozdílů mohou vybuchnout. To se například může stát

u vajec či ořechů, které jsou vloženy do mikrovlnné trouby ve svém přirozeném

obalu, ve skořápce.

Jídlo připravené v mikrovlnné troubě je stejně bezpečné jako potravina připra-

vená v obyčejné troubě. Zároveň nedochází ke ztrátě vitamínů a její výživové

hodnoty. Největším rozdílem mezi sporákem či obyčejnou troubou

a mikrovlnnou troubou je rychlost ohřevu, neboť mikrovlnná energie proniká

do potraviny hlouběji, a tím zkracuje dobu potřebnou k jejímu ohřevu. Mikro-

vlny se absorbují jen v zahřívané potravině a nikoliv v celém prostoru trouby.

Pokuste se odpovědět (převzato z publikace [1]):

1. Z jakého důvodu se v mikrovlnné troubě porcelánové či plastové nádobí

přímo neohřívá?

U těchto materiálů dochází pouze k nepřímému zahřátí od pokrmů, které obsa-

hují vodu. Frekvence zdroje mikrovlnného záření je volena tak, aby záření

rezonančně rozkmitávalo co nejvíce právě molekuly vody, a tím jim předávalo

svoji energii. Nevodiče neobsahující vodu toto záření téměř nepohlcují, a proto

se v mikrovlnné troubě téměř neohřívají.

2. Proč nemůžeme v mikrovlnné troubě používat kovové nádobí? Proč na okra-

jích pozlacených talířů vzniká jiskření?

Vložením elektrického vodiče do mikrovlnné trouby bude docházet ke vzniku

indukovaných proudů v tomto vodiči. Tyto proudy například způsobují jiskření

v místech přerušení pozlacení talířů. Jiskřičky jsou výboje uzavírající přerušený

kruhový elektrický obvod indukovaných proudů. Mikrovlnnou troubu si mů-

žeme představit jako transformátor, jehož primárním vinutím je mikrovlnný

zdroj a sekundárním v troubě umístěné vodivé těleso. Vyvoláním vířivých

10

proudů ve vodiči elektromagnetickým vlněním se zvýší výkon a zatížení mik-

rovlnného zdroje, a tím může dojít až k jeho poškození.

3. Jaká je hlavní výhoda mikrovlnné trouby při ohřevu či vaření potravin?

Mikrovlnná trouba ohřívá pouze pokrm a tepelné ztráty jsou oproti klasickému

ohřívání mnohem menší.

Pokusy s mikrovlnnou troubou

Základní vlastnosti mikrovlnného ohřevu a rozložení kmiten a uzlů ve varném

prostoru mikrovlnné trouby. Pomocí mikrovlnné trouby lze demonstrovat vznik

plazmového výboje.

Zařazení experimentů do učiva fyziky:

- demonstrace Faradayova zákona elektromagnetické indukce a objasnění vzniku Foucaultových vířivých proudů (CD) (SŠ učivo Elektřina a magne-

tismus),

- elektrické výboje v plynech (žárovka, grafitový generátor plazmatu apod.),

- stojaté vlnění,

- elektrický proud v kapalinách,

- mezipředmětové vztahy fyzika – chemie,

- moderní technika – aplikace mikrovlnného ohřevu v různých procesech.

Srovnání zahřívání vody a oleje

Pomůcky: mikrovlnná trouba, sklenice, olej, voda

Provedení: Odměříme 100 ml vody a stejné množství oleje a nalijeme je do

dvou stejných sklenic. Počáteční teplota obou kapalin je stejná, např. pokojová

teplota. Postavíme je na otočný talíř naproti sobě do stejné vzdálenosti od okra-

je talíře. Výkon trouby nastavíme na 700 W a nastavíme také dobu ohřevu,

stačí 30 sekund. Po uplynutí uvedené doby ohřevu změříme teplotu obou kapa-

lin. Měli bychom zjistit, že nárůst teploty vody je o mnoho větší, než u oleje,

který svoji teplotu prakticky nezvýší. Pokus zviditelníme pomocí termokamery.

11

Obr. 6 Ohřev vody a oleje (Diplomová práce J. Kohouta, Plzeň 2009)

Vysvětlení: Olej má přibližně nulový dipólový moment. Z fyzikálního hlediska

nedochází k bipolární polarizaci, energii mikrovln absorbuje nádoba s vodou.

Naproti tomu voda má velký dipólový moment, proto se ohřívá. Pozor, ale

uplatňují se zde i jiné mechanismy, což ukazuje pokus další, pomocí ohřevu

vody a octa.

Pozor: Dáme-li do mikrovlnné trouby jen olej, energie, která není absorbována,

může poškodit magnetron (přehřátí). Dbáme také na to, aby nedošlo k přehřátí

vody (superheating). Možná doba ohřevu je dána vztahem

max

( )v v v pm c t tt

W

,

kde W je výkon mikrovlnné trouby, mv je hmotnost vody, cv je tepelná kapacita

vody, tv je teplota varu za normálních podmínek, tp je počáteční teplota vody.

Podobný pokus lze provést i pomocí vody a octa.

Zde zjistíme, že ocet se ohřívá více. Ale není to dáno jen velikostí dipólového

momentu.

Velikost dipólového momentu octa (kyselina octová) je 5,8 ∙ 10–30

C ∙ m, napro-

ti tomu voda má dipólový moment větší (6,2 ∙ 10–30

C ∙ m). Kvantitativní vy-

hodnocení musí vycházet z toho, že bipolární polarizace je určena imaginární

složkou komplexní permitivity. Frekvence záření mikrovlnné trouby odpovídá

maximu absorpce kyseliny octové. Navíc vodný roztok kyseliny octové je elek-

trolyt, takže určitý vliv má i mechanismus odpovědný za vodivost elektrolytu.

12

Chléb v mikrovlnné troubě

Pomůcky: toastový chléb

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř či náhon otočného talíře.

Na talíř umístíme 4 plátky toastového chleba a mikrovlnnou troubu zapneme.

Dobu ohřevu nastavíme na šedesát sekund. Během provozu mikrovlnné trouby

přes sklo pozorujeme průběh pokusu. Pokud nepozorujeme žádnou změnu,

dobu ohřevu prodloužíme. Někdy je třeba dobu ohřevu prodloužit až na tři

minuty. Pokud ucítíme pach pálícího se chleba, mikrovlnnou troubu ihned

vypneme. Na plátcích chleba uvidíme na určitých místech černé spálené skvr-

ny.

Nerovnoměrný ohřev je dán charakterem mikrovlnného záření v uzavřeném

prostoru mikrovlnné trouby. Tam, kde dojde k černání chleba, leží maximum

vlnění, kde zůstal chléb bílý, leží minimum vlnění (uzel).

Obr. 7 Vznik stojatého vlnění Obr. 8 Kmitny a uzly

Abychom tedy zamezili nerovnoměrnému ohřívání potravin, umístíme chleba

nebo jinou potravinu na otočný talíř. Dá se také použít kovový větráček, který

umístíme hned na vstup mikrovln do trouby. Dochází k odklonu mikrovln růz-

nými směry tak, že se maxima tvoří v různých místech.

Shrnutí

Pokus demonstruje vznik maxim a minim vlnění při chybějícím otočném talíři.

Tento experiment lze zařadit mezi domácí pokusy, k poškození mikrovlnné

trouby nedochází. Pokud se troubu podaří vypnout včas, zamezíme také nepří-

jemnému zápachu z pálícího se chleba.

Pokus demonstruje důležitost otočného talíře. Pokus je nenáročný na realizaci.

13

Mokrý a suchý chléb v mikrovlnné troubě

Pomůcky: suchý tvrdý chléb (jeden krajíc), krajíc chleba namočený ve vodě,

mikrovlnná trouba

Provedení: Připravené krajíce stejné velikosti umístíme na otočný talíř

v mikrovlnné troubě naproti sobě do stejné vzdálenosti od okraje talíře. Troubu

nastavíme na plný výkon, nastavíme také dobu pro ohřívání, dostatečná doba je

15 sekund. Zapneme mikrovlnnou troubu. Po otevření trouby porovnáme teplo-

tu suchého a mokrého chleba.

Vysvětlení: Suchý chléb neobsahuje vodu, naproti tomu mokrý chléb má dosta-

tek vody, která se mikrovlnné troubě zahřeje, a tím je zahřátý i mokrý chléb.

Rozložení kmiten a uzlů v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, sklenice s vodou, faxový papír

Provedení: Rozložení kmiten a uzlů v mikrovlnné troubě lze zjistit pomocí

různých pomůcek. Můžeme v troubě rozmístit sklenice s vodou a určovat, ve

kterých z nich dojde k výraznému zvýšení teploty, nebo můžeme použít např.

faxový papír, který mírně navlhčíme. Pro tyto experimenty z mikrovlnné trouby

vyjmeme otočný talíř.

Použijeme-li faxový papír, je třeba jej stejnoměrně navlhčit. Do mikrovlnné

trouby se vkládá hladkou stranou nahoru. Troubu zapneme na plný výkon

a pozorujeme papír. Za chvíli se v určitých místech objeví tmavé skvrny. Trou-

bu vypneme.

Vysvětlení: Faxový papír černá při určité teplotě (asi 65 °C). Jak bylo už řečeno,

voda dobře absorbuje mikrovlny a proto tam, kde je největší amplituda intenzi-

ty proměnného elektrického pole, zahřeje se toto místo na vysokou teplotu.

Papír černá. Takto lze zjistit polohu kmiten. Zobrazení elektrického pole lze

zobrazit i pomocí infračervené kamery. Prostorové rozložení pole lze demon-

strovat pomocí papíru, který přichytíme ke stěnám ve varném prostoru mikro-

vlnné trouby. Rozložení kmiten je nestejnoměrné.

Měření rychlosti světla

Pokus navazuje na pokus předchozí, slouží zejména k posílení představy, že

všechny vlny v elektromagnetickém spektru se šíří rychlostí světla.

Pomůcky: plátky toustového chleba z minulého pokusu, pravítko

14

Provedení: Použijeme toustový chléb z předchozího pokusu. Pomocí plastové-

ho pravítka změříme vzdálenost černých, spálených skvrn, přičemž měříme od

středu jedné skvrny ke středu druhé, nejbližší skvrny. Naměřenou vzdálenost

(v metrech) vynásobíme dvěma a dostaneme vlnovou délku vln mikrovlnné

trouby (hodnota by se měla pohybovat okolo 0,12-0,125 metrů). K výpočtu

rychlosti světla je třeba dále znát velikost frekvence mikrovln. Můžeme ji zpra-

vidla přečíst na štítku ze zadní strany mikrovlnné trouby, jako standardní hod-

notu je možné vzít 2 450 MHz, neboť většina mikrovlnných trub pracuje na

této frekvenci. Hodnotu převedeme na jednotku hertz. Vzorec pro výpočet

rychlosti světla v mikrovlnné troubě můžeme upravit na tvar

c f ,

kde c je rychlost světla, vlnová délka mikrovln a f frekvence mikrovln. Přesná hodnota rychlosti světla ve vakuu činí 299 792 458 m ∙ s

–1.

Pokus měření rychlosti světla pomocí mikrovlnné trouby můžeme provádět

také s tousty namazanými margarínem. Dbáme na to, aby byl chléb dobře na-

mazán i v místech, kde se jednotlivé plátky chleba dotýkají. V mikrovlnné

troubě je necháme tak dlouho, dokud nezpozorujeme tání margarínu. Při tomto

měření jsou naměřené hodnoty méně přesné než u pokusu s obyčejným toasto-

vým chlebem. Větší přesnosti dosáhneme, když toust s margarínem necháme

v mikrovlnné troubě déle, tedy až do doby, kdy margarín začne lehce oranžo-

vět. Poté se měření stane přesnějším.

Při použití toustu bez margarínu (tabulka 1) byla doba potřebná ke zjištění

rychlosti světla 3 minuty, při použití toustu s margarínem (tabulka 2) byla po-

třebná doba 4 minuty. Doba sice je delší, ale předejdeme riziku zápachu spále-

ného chleba.

Tabulka 1. Výsledky měření při konkrétním pokusu – suchý toast

Pokus /2 m m c m ∙ s–1

1 0,06 0,120 2,940∙108

2 0,063 0,126 3,087∙108

3 0,062 0,124 3,038∙108

4 0,61 0,122 2,989∙108

15

Tabulka 2. Toust namazaný margarínem

Pokus /2 m m c m ∙ s–1

1 0,064 0,128 3,136∙108

2 0,059 0,118 2,891∙108

3 0,063 0,126 3,087∙108

4 0,063 0,126 3,087∙108

Pokus můžeme provádět i s použitím dalších surovin, například čokolády, plát-

kového sýra.

Shrnutí:

Z výsledku je patrné, že měření rychlostí světla touto cestou je vcelku přesné.

Malé nepřesnosti mohou být způsobené nepřesným měřením vzdáleností mezi

jednotlivými tmavými skvrnami.

Obr. 9 Poloha kmiten při zahřátí

toastového chleba

Obr. 10 Měření vzdálenosti dvou kmi-

ten

Přesné určení rozložení kmiten v mikrovlnné troubě je dosti obtížné, protože

pole má prostorové rozložení a poloha kmiten není ve stejné výšce nade dnem

trouby. Předem tedy musíme získat představu o prostorovém rozložení elek-

trického pole. Můžeme k tomu použít již zmíněný faxový papír, který budeme

postupně zvedat v prostoru trouby přibližně po 0,5 cm. Analýzou obrázků mů-

žeme potom dosti přesně stanovit polohu dvou sousedních kmiten. Jinou mož-

16

ností, jak získat představu o prostorovém rozložení stojatého vlnění, je použití

toastového chleba, který navrstvíme na sebe a vyplníme jím podstatnou část

vnitřního prostoru trouby. Přijatelné výsledky získáme pomocí velké tabulky

čokolády, kterou umístíme na dno trouby (bez otočného talíře). Troubu zapne-

me na plný výkon. V místě kmiten se čokoláda začne topit.

Obdobně lze použít i bonbóny Marshmallows.

Prostorové rozložení stojatých vln lze demonstrovat i pomocí CD umístěného

na stěně trouby. Po zapnutí trouby nedojde k jeho zničení. Neopakuje se tedy

případ CD položeného na dno trouby.

Vysvětlení: Normálová složka intenzity magnetického pole je konstantní,

v rovině disku se neindukují vířivé proudy. Pokud je naopak CD umístěno

v místě nenulové amplitudy magnetické indukce, dochází k časové změně

magnetického indukčního toku, vznikají Foucaultovy vířivé proudy v rovině

CD a disk jiskří.

Rozložení kmiten lze ovlivnit pomocí velké sklenice s vodou umístěné

v mikrovlnné troubě. Zopakujeme pokus s faxovým papírem a výsledky porov-

náme. Malá sklenice vody (100 ml) nemá na rozložení kmiten vliv.

Vznik plazmatu v mikrovlnné troubě

Poznámky k fyzikálnímu principu vzniku plazmatu.

Jsou možné dva způsoby vzniku. První nastává u vodivých předmětů s velkou

plochou (CD). V tomto případě dochází k rychlé změně vektoru magnetické

indukce, což odpovídá velké časové změně indukčního toku a podle Faradayo-

va zákona elektromagnetické indukce vzniká velké indukované napětí v rovině

předmětu. Navíc je to vodič, vznikají Foucaultovy vířivé proudy velké intenzi-

ty, které zahřejí látku natolik, že dochází k termoemisi elektronů z povrchu

látky. Proměnné elektrické pole tyto elektrony urychluje natolik, že mají dosta-

tečnou energii k excitaci a ionizaci plynu. Vzniká plazmový výboj.

Máme-li předměty s malým plošným obsahem, je mechanismus vzniku plazma-

tu odlišný. Zde se Foucaultovy proudy neuplatní, ale stěžejní je urychlení elek-

tronů proměnným elektrickým polem, kdy elektrony získají energii převyšující

výstupní práci. K ionizaci dochází vlivem srážek elektronů a molekul plynu.

17

CD v mikrovlnné troubě

Tento pokus není vhodné provádět doma, může dojít k poškození mikrovlnné

trouby. Zároveň si musíme dát pozor, aby místnost, kde pracujeme, byla dobře

větraná.

Pomůcky: CD bez potisku, mikrovlnná trouba

Provedení: Do mikrovlnné trouby dáme nefunkční CD, nebo CD, které nepou-

žíváme, neboť tento pokus ho trvale zničí. CD vkládáme do mikrovlnné trouby

nepotištěnou stranou nahoru. Mikrovlnnou troubu zapneme na plný výkon

a nastavíme časomíru na 5 sekund. Musíme být připraveni troubu vypnout,

když uvidíme, že se z CD začne kouřit. Tyto plyny jsou škodlivé při vdechnutí,

proto pracujeme s troubou umístěnou poblíž otevřeného okna nebo v místnosti

s dobrou cirkulací vzduchu. Pozorujeme.

Po zapnutí začne CD nepravidelně jiskřit, světelné efekty jsou doplněny pro

jiskření typickým praskáním. Tenká vrstva hliníku na CD je silně zahřívána, až

nakonec shoří. Toto spalování začne v několika místech samovolně vznikající-

mi jiskrami a ve velmi krátké době se rozšíří po celé ploše CD. V umělé hmotě

můžeme pozorovat charakteristické vypálené stopy.

Obr. 11 CD v mikrovlnné troubě

Upozornění:

Výše uvedený pokus není dobré provádět ve starších mikrovlnných troubách,

jsou náchylnější k poškození. Také je nebezpečné nastavit časomíru na více než

5 sekund, CD by mohlo vzplanout. CD určené k pokusu by nemělo být popsa-

né, neboť inkoust způsobuje mohutnější kouř.

18

Vysvětlení:

Uvedený jev je důsledkem velmi rychlých změn magnetického indukčního

toku, procházejícího tenkou hliníkovou vrstvou CD. Tak je splněn předpoklad

pro vznik velmi intenzivních vířivých proudů (podle Faradayova zákona elek-

tromagnetické indukce). Proto se povrch CD velmi rychle zahřívá a dochází

k jiskření. Současně také dochází vypařování rozžhaveného hliníku, což má za

následek vznik charakteristických obrazců v tenké hliníkové vrstvě. Jsou-li

splněny podmínky k pohybu nelokalizovaných elektronů, které vyvolávají

vznik elektrických proudů, dochází k emisi elektronů z povrchu CD, elektrony

jsou urychleny proměnným elektrickým polem a dochází k jejich ionizaci.

Proudy způsobují jiskrové vybíjení, neboť vodivost není dostačující k odvedení

takto velkého množství energie. Pozorujeme plazmový výboj. Je to však až

sekundární jev, jako první je pozorováno vždy jiskření, které vzniká na základě

Faradayova zákona elektromagnetické indukce za vzniku vířivých proudů.

Lze říci, že tento experiment může být výchozí pro další pokusy. Lze navázat

pokusem s CD, kdy je přilepíme k boční stěně varného prostoru mikrovlnné

trouby. V tomto případě žádné jiskření nepozorujeme. Takto je možné experi-

mentálně ověřit platnost okrajové podmínky pro velikost vektoru magnetické

indukce.

CD v kádince s vodou

Pomůcky: kousek CD, kádinka, studená a teplá voda, olej

Provedení: Připravíme si kousky CD, dvě stejné kádinky a studenou vodu

a olej. Na dno kádinek vložíme kousek CD a nalijeme do kádinky tolik vody,

resp. oleje, aby kapaliny sahaly dva centimetry nad CD. Obě kádinky vložíme

do mikrovlnné trouby. Nastavíme plný výkon a troubu zapneme. Pozorujeme.

Pokud je v mikrovlnné troubě kádinka s olejem, pozorujeme po zapnutí trouby

jiskření. Pokud je v troubě kádinka s CD ponořeném ve vodě, k jiskření nedo-

chází.

Vysvětlení:

Jak bylo vysvětleno výše, studená voda dobře pohlcuje mikrovlnné záření, olej

toto záření nepohlcuje. U vody se proto snižuje amplituda intenzity magnetic-

kého pole v rovině CD. Vznikající vířivé proudy nejsou natolik silné, aby za-

hřály hliník na povrchu CD na teplotu, která je potřebná pro vznik jiskření.

U oleje k pohlcování záření nedochází, vířivé proudy jsou schopné vyvolat

jiskření u CD.

19

V dalším kroku ponoříme kousek CD do kádinky s teplou vodou (doporučuje-

me teplotu asi 60 °C). Situace se změní, opět pozorujeme jiskření kousku CD.

Vysvětlení:

Schopnost vody absorbovat mikrovlnné záření výrazně klesá s rostoucí teplo-

tou. Z tohoto důvodu nastává situace, že u teplé vody je amplituda intenzity

magnetického pole v rovině CD mnohem větší než v případě studené vody,

v důsledku toho vznikají dostatečně velké vířivé proudy, které jsou schopny

zahřát hliník na dostatečně vysokou teplotu. Pozorujeme jiskření.

Analogií experimentu s CD je použití obalů od tuků (např. másla). Experiment

probíhá podobně jako v případě CD. Obal umisťujeme do mikrovlnné trouby

vnitřní stranou směrem nahoru. Troubu nezapínáme déle než na 5 sekund. Opět

pozorujeme jiskření, popř. i plazmový výboj. Pokus provádíme bez otočného

talíře. Z obalu samozřejmě odstraníme před zahájením pokusu papírový

vnitřek. Stejně tak lze experiment provést s hliníkovou fólií (alobalem). Zde se

osvědčilo na okraji fólii natrhnout.

Zahřátá skleněná láhev v mikrovlnné troubě

Pomůcky: skleněná láhev od piva (bez papírové etikety), mikrovlnná trouba,

kádinka s vodou

Provedení: Pokus provedeme ve dvou krocích. V prvním vložíme do mikrovln-

né trouby studenou láhev od piva a troubu zapneme. Nepozorujeme žádný

efekt, žádné jiskření. Ve druhém kroku láhev na jednom místě silně zahřejeme.

(Kahan nestačí!) Mikrovlnnou troubu zapneme na maximální výkon, nastavíme

čas na 30 sekund. Nezapomeneme do trouby před jejím zapnutím vložit kádin-

ku s asi 200 ml vody. Po zapnutí trouby a po uplynutí zhruba 30 sekund pozo-

rujeme v tom místě, které bylo intenzivně zahřáto, výboj a následně i rozžhave-

ní skla v daném místě.

Vysvětlení:

Voda v mikrovlnné troubě absorbuje „nespotřebované“ mikrovlnné záření. To

by se jinak vracelo k magnetronu a mohlo by jej poškodit. Co se týče jiskřícího

skla podstatou tohoto jevu je skutečnost, že při vhodném zvýšení teploty se sklo

stává vodivým materiálem. Potom jsou splněny podmínky pro vznik vířivých

proudů, které sklo rozžhaví. Proces je potom stejný jako v případě CD. Emito-

vané elektrony, které jsou urychleny elektrickým polem, způsobí ionizaci

a excitaci molekul plynu. Vzniká plazmový výboj.

20

Žárovka v mikrovlnné troubě

Plazmový výboj není v tomto případě vyvolán změnami magnetického pole.

Výboj vzniká přímo v důsledku působení časově proměnného pole elektrické-

ho.

Pomůcky: mikrovlnná trouba, žárovka

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Výkon nastavíme na

maximum. Do trouby vložíme žárovku a troubu zapneme. Po několika sekun-

dách pozorujeme vznik plazmového výboje. Troubu okamžitě vypneme.

V opačném případě by mohlo dojít k explozi, přehřál by se totiž skleněný obal

žárovky. Je zajímavé, že pokud měníme místo, kam žárovku položíme, mění se

barva plazmového výboje. Závisí to na velikosti amplitudy intenzity elektrické-

ho pole.

Variantou tohoto experimentu je umístit žárovku na otočný talíř. Zde pozoru-

jeme změnu barvy výboje při otáčení žárovky na talíři, podle toho, kterým

místem pole právě prochází.

Vysvětlení:

Proměnné elektrické pole má schopnost rozžhavit vlákno žárovky. Proto je

možné dosáhnout emise velkého počtu elektronů, které jsou elektrickým polem

urychlovány a excitují molekuly plynu, který se nachází uvnitř skleněné baňky

žárovky (argon). Pokud srovnáme délku vlákna v žárovce před pokusem a po

něm, zjistíme, že část vlákna se během pokusu vlivem vysoké teploty vypařila.

Žárovku lze pro daný pokus použít opakovaně, před novým pokusem je třeba

žárovku nechat vychladnout.

Poznámka (viz DP):

Pokus se žárovkou je možné modifikovat. Můžeme např. snížit výkon mikro-

vlnné trouby a umístit žárovku do některé z kmitem, které jsme určili během

předchozích pokusů. Oproti očekávání nebude výboj stále stejně intenzivní.

Dalo by se uvažovat také o možnosti, že výboj nevznikne vůbec, protože trouba

pracuje na menší výkon a intenzita pole bude nedostatečná. Většinou však

pozorujeme, že výboj probíhá nějakou dobu stejně, jako v předchozím případě,

kdy trouba pracovala na plný výkon, ale za chvíli vyhasne. Je to způsobeno tím,

že magnetron se střídavě vypíná a zapíná, tím se reguluje výkon trouby. Nemě-

ní se intenzita generovaného vlnění. Pokud máme možnost, použijeme jiný

plyn (např. neon). Pozorujeme výboj odlišného zbarvení.

21

Tuha v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, tuha o délce několik centimetrů (z tužky), mode-

lína

Obr. 12 Uspořádání pokusu s tuhou

(převzato z [4])

Obr. 13 Plazmový výboj – tuha

(převzato z [4])

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Kousek tuhy pomocí

modelíny přilepíme na dno mikrovlnné trouby v místě, kde víme, že se nachází

kmitna (místo s velkou amplitudou intenzity pole). Tuhu přiklopíme skleněnou

nádobou kulového tvaru. Zapneme mikrovlnnou troubu a pozorujeme průběh

pokusu. Vidíme značně intenzivní plazmový výboj vyplňující celý prostor

nádoby. Efekt lze pozorovat relativně dlouhou dobu.

Vysvětlení:

Urychlené elektrony, které se uvolnily z tuhy, ionizují molekuly vzduchu. Na-

víc v případě skleněné nádoby tvaru koule bylo zjištěno, že plazma, které vzni-

ká, není v přímém kontaktu se sklem. Proto se v tomto případě sklo zahřívá

pomalu (Spherical Pinch effect). Chemicky se jedná o reakci kyslíku a dusíku

za vzniku oxidu dusného a oxidu dusnatého.

Poznámky:

Vzhledem k probíhající reakci pracujte v dobře větrané místnosti.

Uvedená reakce je příklad využití mikrovlnného záření, a to spouštět chemické

reakce, které za normálních podmínek neprobíhají. Obor, který se zabývá touto

oblastí, je tzv. plazmochemie.

22

Hroznové plazma

Během pokusu je možné vytvořit plazma v mikrovlnné troubě pomocí pár kuli-

ček hroznového vína. Tento pokus není vhodné provádět v mikrovlnné troubě,

kterou doma používáme, může dojít k jejímu mechanickému poškození nebo

dokonce k jejímu zničení.

Pomůcky: hroznové víno, nožík

Provedení: K realizaci pokusu potřebujeme čerstvé hroznové víno s vysokým

obsahem vody. Vezmeme si 3 kuličky hroznového vína a rozkrojíme je tak, aby

jejich slupka na jedné straně zůstala nenarušená. Poté je vložíme do mikrovlnné

trouby a zapneme ji na plný výkon. Pozorně pozorujeme pokus již od první

sekundy. Uvidíme žluté jiskření mezi dvěma polovinami hroznů.

Přesun elektrického

proudu

Vysýchání hroznu Jiskření hroznu

Obr. 14 Hroznový plazmový výboj

Pozor! Po vypnutí mikrovlnné trouby budou hrozny velmi horké, necháme je

tedy na chvíli vychladnout a až poté je z trouby vyndáme. Necháme-li troubu

dlouho běžet, může dojít k jejímu mechanickému poškození. Uvidíme-li

v troubě velké zářící objekty, troubu vypneme.

Vysvětlení:

Mikrovlny, které zahřívají potravinu, vyrábějí mezi půlkami hroznů elektrický

proud, který se přesouvá z jedné půlky do druhé a zpět. Tento proud je soustře-

děn v kousku slupky mezi dvěma půlkami hroznů, ta se postupně ohřívá, až

vyschne. Proud se pak musí začít pohybovat ve vzduchu, kde vytváří jiskry

(obr. 14).

Hroznové víno má zajímavou strukturu, která je charakteristická zejména tou

vlastností, že šťáva dobře vede elektrický proud. Jak je vidět na obrázcích výše,

23

pokud se půlky hroznů dotýkají, proud prochází místem tohoto dotyku, čímž se

právě toto místo intenzivně zahřívá. Z tohoto místa se uvolňují elektrony, které

jsou urychleny elektrickým polem a poté mohou ionizovat molekuly vzduchu.

Fyzikálně chemický kvantitativní popis přesahuje rámec této publikace a je

velmi složitý.

Obr. 15 Plazma v mikrovlnné troubě

Poznámka

Jiskra je vytvořena odtrháváním elektronů z atomů elektrickým polem. Tyto

elektrony se pak volně pohybují a nesou elektrický proud. Jako plazma je znám

plyn s elektrony a pozitivními ionty. Tato plazma vede elektřinu a může absor-

bovat mikrovlny. Plazma se někdy stane dostatečně velkou na to, aby absorbo-

vala další mikrovlny k růstu, a to může způsobit drobné popáleniny na horní

straně trouby. Mezi vlastnosti plazmy patří kvazineutralita a kolektivní chování.

Kvazineutralitou zajistíme, aby v látce bylo vždy stejné množství kladných

a záporných částic, tímto se navenek plazma jeví jako nenabitá tekutina. Kolek-

tivním chováním rozumíme, že plazma je schopna jako celek svými projevy

generovat magnetická a elektrická pole a reagovat na ně.

Shrnutí

Pokus není náročný na realizaci, jeho úspěšnost je však ovlivněna řadou fakto-

rů. Důležitá je čerstvost hroznového vína, správné nakrojení a správné umístění

do mikrovlnné trouby. Výboj trvá asi 1 sekundu.

24

Prskavka v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, prskavka, modelína

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř a na dno postavíme

prskavku. Přilepíme ji např. pomocí kousku modelíny. Nastavíme maximální

výkon trouby. Po několika málo sekundách vzniká u špičky prskavky plazmový

výboj, prskavka se zapálí. Troubu vypneme. Prskavka vyhoří.

Drátěnka v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, drátěnka na nádobí

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Do místa, kde se nachá-

zí kmitna vlnění, položíme kousek částečně rozpletené drátěnky na nádobí.

Nastavíme maximální výkon trouby. Během 5 sekund lze pozorovat plazmový

výboj. Troubu vypneme. Zkoumáme-li drátěnku, objevíme spálená místa.

Mýdlo v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, mýdlo, Petriho miska

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální

výkon trouby. Na dno trouby do větší Petriho misky, nebo na skleněný talířek

umístíme kousek mýdla. Troubu zapneme a pozorujeme změnu objemu mýdla.

Pokus trvá asi 2 minuty.

Vysvětlení:

Během mikrovlnného ohřevu dochází při zvyšování teploty k měknutí mýdla.

Zahřívá se i voda a vzduch uvnitř mýdla. Voda se vypařuje a plyn se rozpíná.

Objem mýdla se zvětšuje.

Bonbony Marshmallow v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, bonbóny Marshmallow

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální

výkon trouby. Na dno trouby umístíme bonbony. Troubu zapneme. Bonbony se

zvětšují. Proces trvá asi 20 sekund. Troubu vypneme. Po chvíli bonbony za-

ujmou svůj původní objem. Mění se však jejich struktura.

25

Vejce v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, syrové vejce, kádinky

Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální

výkon trouby.

Na dno trouby položíme syrové vejce. Přikryjeme je skleněnou kádinkou. Krát-

ce po zapnutí trouby dojde k výbuchu vejce.

Vysvětlení:

Numerické simulace ukazují, že při

kulovém tvaru se nejvíce absorbují

mikrovlny právě ve středu předmětu.

Síla exploze závisí zejména na geomet-

rickém tvaru a objemu použitého va-

jíčka. Podle článku M. Vollmer, K-P.

Möllmann, D. Karstädt: More experi-

ments with microwave ovens, in Phys-

ics Education 39, str. 346-351, 2004

může být výbuch tak silný, že dokáže

rozbít obě použité sklenice. Může

dokonce dojít k otevření mikrovlnné

trouby. Místo vajíčka lze použít bram-

boru podobného tvaru, exploze není

tak výrazná.

Rozmrazování v mikrovlnné troubě

Zamyslete se:

Roztaje dané množství ledu v mikrovlnné troubě dříve, než dosáhne stejné

množství vody bodu varu?

Pomůcky: led, voda, 2 sklenice, váhy

Provedení: Připravíme si 2 sklenice. Do jedné z nich dáme pár kostek ledu, do

druhé studenou vodu o stejné hmotnosti jakou má led. Obě sklenice dáme do

mikrovlnné trouby tak, aby byly v symetrické pozici (aby měly stejnou vzdále-

nost od středu talíře). Zapneme mikrovlnnou troubu a sledujeme, zda

Obr. 16 Uspořádání pokusu s vejcem

26

v mikrovlnce začne dřív tát led než vřít voda. Ačkoli k tání ledu potřebujeme

zvýšení teploty jen o pár stupňů Celsia, voda skutečně začne vřít dřív.

Vysvětlení:

K dřívějšímu varu vody dochází ze dvou důvodů. První z nich je, že k tání ledu

potřebujeme obrovské množství energie. Touto energií bychom ohřáli vodu

o zhruba 80 °C. Příčinou je uzamčení molekul v ledu silnou vodíkovou vazbou.

Během tání musí dojít k roztrhnutí vazby, což odebírá hodně energie. Druhý

důvod je, že led neabsorbuje mikrovlny stejně jako voda, to znamená, že se

zahřívá pomaleji.

Proč voda absorbuje mikrovlny lépe než led? Mikrovlnná trouba ohřívá vodu

skrze mikrovlny, které jsou vyráběny na pravé straně trouby a jsou vysílány do

hlavního prostoru trouby. Tam se odrážejí a vytváří stojaté vlnění (viz obr. 12).

Ačkoli molekuly vody nemají celkový náboj, jejich atom kyslíku je mírně ne-

gativní a atom vodíku mírně pozitivní. V elektrickém poli se atomy začnou

otáčet a přizpůsobí se mu. Pokud elektrické pole bude směřovat směrem naho-

ru, pak budou kladné vodíkové atomy přitahovány nahoru a záporné atomy

kyslíku budou přitahovány směrem dolů, takže se molekuly otáčejí (obr. 7).

Pokud pole bude směřovat naopak dolů, pak atomy kyslíku se budou snažit

zvrátit jejich směr. Tyto rotace převádí energii do vody a tím ji zahřívají. Ačko-

li molekuly ledu, které jsou uzamčeny do krystalové struktury vodíkovými

vazbami, také cítí tyto rotační síly, otáčení by znamenalo porušení vazeb mezi

molekulami. Takže se tyto molekuly jen stěží pohybují a absorbují velmi málo

energie (obr. 17).

Elektrický náboj

molekuly vody

Otáčení molekul

vody

Molekuly ledu v krystalové

struktuře

Obr. 17 Molekuly vody

27

Shrnutí:

Dozvěděli jsme se, proč nerozmrazovat potraviny na plný výkon. Například při

rozmrazování kuřete, některá jeho část rychle roztaje a voda, kterou obsahuje,

bude ve formě kapalné, takže bude absorbovat mikrovlny daleko lépe, než

okolní zmrzlá voda. To znamená, že část našeho kuřete bude plně uvařena,

zatímco zbytek bude vlažný, nebo dokonce pořád zmrzlý. Pokus je nenáročný

na realizaci, lze jej zařadit mezi domácí pokusy.

Nafukovací balónek v mikrovlnné troubě

Pomůcky: mikrovlnná trouba, nafukovací balónek, voda

Provedení: Do balónku napustíme malé množství vody a balónek uzavřeme.

Umístíme jej do mikrovlnné trouby a troubu zapneme. Pozorujeme chování

balónku. Balónek zvětšuje svůj objem a zaplní celý objem varného prostoru.

Troubu vypneme. Po vyjmutí z trouby se balónek po chvíli vrátí do původního

stavu.

Vysvětlení:

Chování balónku je dáno tím, že uvnitř je trochu vody. Voda pohlcuje mikro-

vlnné záření, zvyšuje svoji teplotu, vypařuje se. Nafukovací balónek je pružný,

zvětšuje svůj objem. Po ochlazení plyn kondenzuje, balónek zmenšuje svůj

objem. Pokus lze provádět jak s otočným talířem, tak i bez něj.

Co nepatří do mikrovlnné trouby?

Do mikrovlnné trouby v žádném případě nepatří smaltované či kovové nádobí.

Mikrovlnná energie se odráží od kovů a potraviny se nemohou stejnoměrně

ohřívat, může docházet k jiskření. Také není vhodné nádobí se zlatým zdobe-

ním, broušené sklo či lakované nádobí. I některé plastové nádobí nás

v mikrovlnné troubě může nemile překvapit. Většina výrobců však uvádí,

v jakém rozmezí teplot se dá nádobí bez následku k ohřevu použít. Nádoby

přímo určené pro mikrovlnné trouby se vlivem mikrovln nezahřívají, k jejich

ohřevu dojde pouze při jejich styku s ohřívanou potravinou.

I přes tato úskalí mikrovlnná trouba už snad nechybí v žádné domácnosti. Její

použití zvládne po přečtení návodu každý a při respektování pravidel se nám

a naší mikrovlnné troubě nemůže nic stát.

28

Chladničky a mrazničky

Zamyslete se [1]

1. Z jakého důvodu je v chladničce umístěno chladící zařízení nahoře?

Chladný vzduch klesá dolů, a tím ochlazuje celý prostor lednice. V opačném

případě by byl chladný vzduch pouze v dolní části chladničky.

2. Jaké typy mrazících boxů jsou z ekonomického hlediska výhodnější? Truh-

lové, nebo skříňové?

Truhlové, neboť při jejich otevření z nich studený vzduch nevytéká.

3. Na jakém fyzikálním principu pracuje chladnička?

Princip je založen na kruhovém ději, který probíhá opačným směrem, než

u tepelných motorů. U tepelných motorů koná práci při expanzi pracovní látka

o vysoké teplotě. Při následné kompresi práci koná vnější síla a pracovní látka

odevzdává teplo do okolí. V chladícím stroji naopak expanduje pracovní látka

o nižší teplotě a odebírá teplo svému chladnému okolí (vnitřní prostor chlad-

ničky). Při kompresi koná práci její elektromotor a dochází k odevzdávání tepla

trubkovému systému na zadní stěně chladničky pracovní látkou.

4. Můžeme chladničkou ochlazovat vzduch v místnosti?

Pokud bude chladnička umístěna v místnosti, kterou chceme ochlazovat, tak to

možné není. Dle zákona zachování energie je teplo odevzdané venkovním žeb-

rovím větší než teplo z vnitřního prostoru odebrané o energii, která byla dodána

elektromotoru k chodu ledničky. Pokud do ochlazované místnosti umístíme

pouze vnitřní prostor chladničky a její zadní žebroví umístíme mimo místnost,

chladnička již tento prostor ochlazovat bude.

5. Chceme-li v mrazničce kvalitně zmrazit potraviny, musí zmrazení proběh-

nout co nejrychleji. Z jakého důvodu?

Pomalé zmrazení způsobuje pomalý nárůst velkých krystalů, jejichž příčinou je

porušení buněčných stěn a při rozmrazování nadměrné uvolňování šťávy. Nao-

pak rychlé zmrazení vede k rychlému nárůstu velkého množství menších krys-

talů, které už tolik neporušují buněčné stěny.

29

6. Potravinám v mrazničce, které nejsou uzavřeny do neprodyšného sáčku,

hrozí nebezpečí silného vysychání. Proč?

Se snižováním teploty rapidně klesá hustota vodní páry a sublimace ledu zde

probíhá o to intenzivněji.

7. Proč musíme starší chladničky po určité době odmrazovat? Proč to novější

typy nevyžadují?

U starších typů dochází na chladících prvcích ledniček k desublimaci vodních

par, vzniklá vrstva ledu svými účinky zeslabuje přenos tepla z vnitřního prosto-

ru do chladícího média, a tím také zeslabuje chladící účinek. Takto vzniklý led

se odstraňuje roztátím po vypnutí ledničky. U novějších typů ledniček se tvorbě

ledu zabraňuje už za chodu ledničky, například nucenou cirkulací se vzduch

uvnitř ledničky nechává prohánět intenzivně chlazenou destičkou, která z něj

vodní páry vychytává.

Funkce ledničky a mrazničky v domácnosti je jednoznačná. Slouží ke krátko-

dobému či dlouhodobému uchovávání potravin. V případě krátkodobého ucho-

vání využijeme ledničku, v případě dlouhodobého uchování mrazničku.

Historie ledničky

Chlazení potravin má dlouhou historii. Fresky v Egyptě dokládající chlazení

potravin pocházejí z roku 2500 př. n. l. Podle zmínek v čínské literatuře byl

v této době shromažďován led a sníh v jeskyních. Také Římané si chladili ná-

poje, přičemž led přiváželi z Alp. Později, když se začali stavět pivnice, bylo to

vždy v místech, kde protékala voda. Od středověku byl led ukládán do komor

s potravinami. Tyto komory měly velmi silné zdi a jako izolační materiál byla

používána sláma.

V Americe byl využíván pokles a stoupání chladného a teplého vzduchu. Po-

traviny byly uloženy v dolní části místnosti, led byl v části horní. Tak mohlo

dojít k přirozenému proudění vzduchu, chladný vzduch odebíral teplo

z uskladněných potravin v dolní části místnosti, ohřál se a stoupal vzhůru. Zde

se ochladil a celý proces se opakoval.

První domácí chladnička byla v podstatě plechová skříň s dvojitými stěnami,

mezi stěny se umístil led, který se přivážel z hor. Led velmi rychle tál a tyto

ledničky se musely plnit prakticky každý den.

30

Ke změně dochází v roce 1607, kdy se L. Trancredus začal zabývat chlazením

nezávislým na přírodě a vyrobil první umělý led. V roce 1755 William Cullen

sestrojil skříňku udržující chlad, vynález, o kterém se však nezachovaly přes-

nější údaje.

Patent na ledničku byl udělen Francouzi Focard-Chateauovi, který sestrojil

čtyři do sebe vložené skříňky s izolačními vrstvami vyplněnými ledem.

Praktické využití principu chlazení je připisováno až Jacobu Perkinsovi, který

v roce 1834 zjistil, že některé tekutiny se vypařováním ochlazují. Své zařízení

charakterizoval slovy:

„Je to zařízení umožňující použít těkavé látky na chlazení a mražení jiné látky,

přičemž těkavá látka kondenzuje a je možné ji v chladícím okruhu vést dále

beze ztrát.“

Jacob Perkins však nedokázal svůj vynález

ani využít, ani patentovat.

Nezávisle na Perkinsovi objevil chladicí

efekt také skot John Harrison žijící

v Austrálii. Vytvořil projekt, podle kterého

se začaly vyrábět chladničky předváděné na

Mezinárodní výstavě v roce 1862. Ve stej-

ném roce nechal v pivovaru v Bendingu

ve státě Viktoria nainstalovat první chladící

zařízení a zároveň vybavil chladničkami

i prodejny.

První ledničku pro domácnost vyrobil

v r. 1879 německý inženýr Karl von Linde,

když upravil průmyslové chladící zařízení,

které vyrobil o 6 let dříve. Jako chladící

médium použil čpavek. Rozšíření chladničky pro domácnosti však přinesla až

elektrifikace. Domácí lednička byla na trh poprvé uvedena švédskými inženýry

Balzer von Platenem a Carl Muntersem v r. 1923. Na pohon kompresoru použi-

li elektromotor a svůj model nazvali Electrolux.

Jako chladící směsi bylo třeba použít látku, která má teplotu varu za normální-

ho tlaku podstatně nižší než je pokojová teplota. Jako nejsnadněji dostupný

a proto nejběžněji používaný byl čpavek. S rozvojem výroby byly hledány

účinnější látky a tři velké americké firmy (Frigidaire, General Motors

Obr. 18 Jakob Perkins

31

a DuPont) vyvinuly nové chladicí směsi – tzv. freony. Freony patří mezi skle-

níkové plyny, proto v roce 1995 senát USA výrobu a využití freonů zakázal. Od

tohoto roku se používají náhradní směsi, dražší a méně účinné.

V dnešní době jsou vyráběny chladničky kompresorové nebo absorpční, podle

typu chlazení. Na první pohled je od sebe poznáme, protože kompresorové

ledničky jsou po zapnutí hlučnější než ledničky absorpční, které mají tichý

chod.

Obr. 19 Model ledničky Elektrolux a jeho vynálezci

Princip činnosti chladničky

Základem je chladivo, které musí mít schopnost odpařovat se při nízkém tlaku

a teplotě. Během odpařování odnímá svému okolí teplo. Jeho teplota a tlak se

zvýší a chladivo kondenzuje. Při kapalnění předává svému okolí teplo. Odpařo-

vání při nízké teplotě je základem činnosti chladicích zařízení, naopak konden-

zace při vyšší teplotě je základem činnosti tepelných čerpadel.

Obr. 20 Chladicí okruh kompresorový (vlevo)

ve srovnání s absorpčním (vpravo)

32

Kompresorová chladnička

Starší typy kompresorových chladniček využívaly chladivo freon R134a. Jak

bylo řečeno výše, freony patří mezi skleníkové plyny a jejich výroba je zakázá-

na. Nyní se používá jako chladivo izobutan R600a.

Obr. 21 Kompresorová chladnička

Princip činnosti: Kompresor nasává páry chladiva z výparníku, stlačuje je

a vhání do kondenzátoru, kde zkapalní. Trubkový rošt kondenzátoru část tepla

vyzáří do okolí. Při průchodu plynného chladiva přes škrtící ventil (Š) dochází

k prudkému snížení tlaku. Plynné chladivo se zde rozpíná na tlak původní,

vypařuje se ve výparníku a teplo k tomu potřebné odebírá z vychlazeného pro-

storu chladničky, v níž je umístěn.

Absorpční chladnička

Tyto chladničky využívají absorpci, proto nedílnou součástí chladničky je ab-

sorbér. Jednotlivé části absorpční chladničky tvoří kondenzátor, absorbér (po-

hlcovač), výparník a vypuzovač. Chladicí kapalinou u tohoto typu chladniček je

čpavek.

33

Chladicí kapalina se vypařuje ve výparníku, tím odnímá teplo z vychlazo-

vaného prostoru chladničky. V absorbéru dochází k pohlcení par vodou. Při

zahřívání hořákem je plynné chladivo vytěsňováno a dostává se do kondenzáto-

ru jako horký plyn. Teplo uniká chladícími žebry do okolí, dochází ke zkapal-

nění chladiva. Ochlazování výparníku je zaručeno v neustále se obnovujícím

okruhu, kdy čpavek s pomocí vodního okruhu se znovu vypařuje a zkapalňuje.

V kondenzátoru je tlak plynu téměř čtyřnásobně vyšší, jeho vyrovnání má za

úkol okruh s vodíkem (mezi absorbérem a výparníkem).

Cyklus je tedy stejný, jako u kompresorových chladniček – kompresor je zde

nahrazen absorbérem a výparníkem. Mezi výhody těchto ledniček patří bez-

hlučný chod, avšak jako velká nevýhoda je zde neschopnost ochlazení vnitřního

prostoru na teplotu tak nízkou jako u kompresorových chladniček, neboť mají

nižší účinnost.

Mrazničky

Mrazničky dělíme na skříňové (zásuvkové) a truhlicové (pultové). Skříňová

mraznička je vhodná pro každou domácnost, která se potřebuje předzásobit

větším množstvím mražených potravin. Její kapacita se pohybuje kolem 100

litrů. Nevýhodou je, že se do ní nevejdou objemnější zásoby. Truhlicová mraz-

nička se hodí pro každou větší domácnost, má kapacitu 100–500 litrů. Její vý-

hodou je jednak nižší cena, také větší úložný prostor a v neposlední řadě nižší

spotřeba, ta souvisí s lepší izolací, neboť studený vzduch, který leží dole, při

otevření téměř neuniká.

34

Papinův tlakový hrnec

Zamyslete se [1]

1. Proč jsou suroviny v Papinově hrnci rychleji uvařeny než v hrnci obyčej-

ném?

Při varu kapaliny v neuzavřené nádobě dochází k intenzivnímu vypařování

kapaliny, tím ztrácí veškerou dodanou energii a její teplota neroste. V uzavřené

nádobě Papinova hrnce je nad hladinou nejenom vzduch, ale také vodní páry,

takže tlak na kapalinu je vyšší než v nádobě otevřené. Suroviny tedy dosáhnou

bez varu vyšší teploty, až k 120 °C.

2. Po ukončení vaření v Papinově hrnci je nutné jej nejdříve zchladit, či pojist-

ným ventilem z něj pomalu odpustit páru a až poté jej otevřít. Proč je nebez-

pečné otvírat hrnec silou ihned po ukončení vaření?

Už jenom z důvodu vnitřního přetlaku to jde poměrně těžko, ale především by

při snížení tlaku voda začala prudce vřít, dokonce by mohla z hrnce vykypět

a tím nás opařit.

Tlakový hrnec je tlustostěnný hrnec sloužící k vaření potravin při vyšším tlaku,

než je atmosférický. Právě vyšším tlakem se dosáhne vyšší teploty vaření (za

normálního tlaku je bod varu body 100 °C, zatímco u vyššího tlaku je to 120 °C

až 130 °C), a tím i rychlejšího uvaření potravin. Zároveň potraviny vařené

v tlakovém hrnci mají intenzivnější chuť a jsou daleko bohatší na vitamíny.

Historie Papinova hrnce

Historie vzniku Papinova hrnce sahá až do 17. století, jeho princip však zůstává

stále stejný. Dnešní hrnce jsou však zejména mnohem bezpečnější. Papinův

hrnec byl poprvé prezentován v roce 1679, kdy francouzský matematik, fyzik

a také vynálezce Denis Papin představil tlakovou nádobu určenou pro přípravu

potravin. Papin si uvědomil, že stlačená vodní pára se chová jako ostatní stla-

čené plyny a že by její tlak mohl být při přípravě pokrmu užitečný, protože

s rostoucím tlakem roste i teplota varu, takže úprava pokrmů je mnohem rych-

lejší a efektivnější. Pro demonstraci sestrojil jednoduchý přístroj, jehož součástí

bylo závaží, které se v závislosti na tlaku pohybovalo nahoru a dolů.

35

Obr. 22 Papinův tlakový hrnec z roku

1890 [22]

Obr. 23 Papinův hrnec

Obr. 24 Současný Papinův hrnec Obr. 25 Otevřený Papinův hrnec

Původní Papinovy hrnce nedokázaly připravit pokrmy běžné chuti a vůně, byly

nebezpečné, neboť často docházelo k explozím. Až o padesát let později byl

Papinův hrnec doplněn o tlakoměr. Přesto bylo stále vaření nebezpečné a maso

připravené tímto způsobem mělo nevýraznou chuť. Průlom přinesl rok 1927.

Francouz Gautier sestrojil hrnec, který opatřil pojistným ventilem. Pokud se

však ventil zanesl, mohlo i v tomto případě dojít k explozi.

Až v roce 1944 došlo k dalšímu zlepšení. Autory byli bratři Lescureové, kteří

začali vyrábět tlakové hrnce z lisovaného hliníku s otočným ventilem a ještě

dalším bezpečnostním ventilem. Poklička byla zkonstruována tak, že v případě

potřeby se mohla jemně zdeformovat a tím umožnit odvod páry.

V běžném provozu se hliník ukázal jako méně vhodný a byl proto nahrazen

nerezovou ocelí. Oproti hliníku je ocel mnohem horším vodičem tepla než

36

hliník, proto došlo u výrobce ke kompromisnímu řešení – na spodní část tlako-

vého hrnce byla namontována hliníková destička, která vede teplo lépe než

ocel. Další výhodou byla lepší akumulace tepla, takže hliníková destička slou-

žila také jako zásobárna energie.

Osmdesátá léta 20. století přinesla další zjednodušení, a to postranní uzavírání

spojující víko a stěny tlakového hrnce do jednoho celku. V devadesátých letech

stačil k zavírání hrnce už jen jediný dotek prstem. Zároveň přibyl elektronický

časovač, okénko pro kontrolu pokrmu a trojité dno. V dnešní době se vyvíjejí

Papinovy hrnce s dálkovou kontrolou časovače. Pro ilustraci uvádíme níže graf

závislosti teploty varu vody na tlaku.

Obr. 26 Závislost teploty varu vody na tlaku

Závislost teploty varu vody na tlaku je vyjádřena pomocí rovnice

5

2871,6

10

pt ,

kde t je teplota varu v °C, p je tlak v Pa.

U této rovnice jsou odchylky v intervalu (0,9–1,075)∙105 Pa od správné hodno-

ty menší než 0,1 %.

V současné době je Papinův hrnec navíc vybaven tavnou pojistkou. Kdyby

došlo k selhání pojistného ventilu, umožní únik páry z varného prostoru, a tím

snížení tlaku. Jak již napovídá název, je tavná pojistka vyrobena z tavitelného

kovu a má tvar malého kotoučku, který těsní malý otvor ve víku. Při vysoké

teplotě dojde k roztavení kotoučku a pára tedy může z hrnce volně unikat.

37

Vybrané potraviny v kulinářské fyzice

Vejce a jeho složení

Vejce je rotační těleso oválného tvaru symetrické pouze podle podélné osy.

Jeho zaoblení s nejmenším poloměrem křivosti se také říká špička vejce. Pod

vápnitou skořápkou je blána, která drží pohromadě bílek, v němž je umístěn

žloutek. Žloutek je připevněn k bláně spirálami ze zhuštěného bílku v místech

jejich průsečíku s osou. Poloha žloutku je vždy taková, aby zárodečný terčík

vejce byl nahoře. Na širším konci vejce, kde blána nepřiléhá zcela ke skořápce,

vzniká vzduchová bublina. Její kyslík je nutný pro vývoj kuřete v oplodněném

vejci.

Vejce má v kuchyni nepostradatelný význam. Nenahraditelnou roli hraje při

přípravě drobných svačinek, hlavních pokrmů nebo samostatných jídel. Lze ho

připravovat v mnoha chuťových variacích. Jindy naopak chuťově ani nemusíme

poznat, že v pokrmu, co právě jíme, se vyskytuje. Tvar vejce je elipsoidní,

s jedním koncem tupějším a druhým ostřejším. Povrch skořápky může být

hladký nebo drsný dle způsobu uložení skořápečných vrstev.

Vejce je složeno ze skořápky, bílku a žloutku. Procentuálně můžeme vyjádřit

jednotlivé zastoupení těchto složek takto:

- žloutek – okolo 30 % hmotnosti vejce,

- bílek – až 60 % hmotnosti vejce,

- podskořápečné blány,

- skořápka – 10 % hmotnosti vejce.

Vejce můžeme popsat i jiným způsobem – skládá se ze 75 % vody, 12 % bílko-

vin, 11,5 % tuku, zbylou část tvoří bílkoviny a minerální látky.

Přesnější popis ptačího vejce uvádí obrázek, který identifikuje 15 částí:

Skořápka

Skořápka tvoří 10 % hmotnosti vejce, z 95 % je tvořena vápníkem. Ve skořápce

se nachází velké množství pórů. Může jich být až 17 000 na jedno vejce. Tyto

póry umožňují výměnu látek mezi vejcem a okolím. Vejce má pod skořápkou

dvě blány, které obsahují vzduchové bubliny. Barva skořápky je především

38

přizpůsobena tak, aby byla chráněna před predátory, je ovlivněna plemennou

příslušností. Především jde o barvu světle hnědou, v méně častých případech

může být bílá, která se vyskytuje zejména u ptáků, kteří žijí v norách nebo

dutinách stromů. Existují i vejce černá (emu), bílá s černými flíčky (ústřičník),

a jiná. Tloušťka skořápky značně souvisí s velikostí vejce. Jde o to, aby unesla

ptáka, který na ní sedí, ale zároveň musí být dostatečně tenká na to, aby se z ní

mohlo líhnoucí ptáče dostat. Pro přísun vzduchu pro vyvíjející se zárodek slou-

ží právě pórovitost skořápky. Jako další zdroj vzduchu slouží vzduchová ko-

můrka, která je umístěna na tupém konci vejce.

Obr. 27 Složení vejce (1 – skořápka, 2 – vnější

papírová blána, 3 – vnitřní papírová blána, 4 –

poutko, 5 – vnější řídký bílek, 6 – hustý bílek, 7

– žloutková blána, 8 – výživný žloutek, 9 –

zárodečný terčík (tvořivý žloutek + zárodek), 10

– tmavý (žlutý) žloutek, 11 – světlý žloutek, 12

– vnitřní řídký bílek, 13 – poutko, 14 – vzdu-

chová komůrka, 15 – kutikula)

Kutikula

Kutikula, nebo také hlenovitý obal, se nachází na povrchu skořápky. Vzniká

cca 10 minut před snesením vejce. Jejím hlavním cílem je usnadnit snesení

vejce díky její kluzkosti. U čerstvě snesených vajec dochází k jejímu okamži-

tému setření, aby nedošlo k jejímu zaschnutí a následnému ucpání pórů ve

skořápce. Kutikula mimo jiné přispívá také k pevnosti skořápky.

Podskořápečné blány

Funkcí podskořápečných blan je chránit vejce. Rozdělujeme je na vnitřní bílko-

vou blánu, která přiléhá k bílku, a vnější bílkovou blánu, která přiléhá ke sko-

řápce. Po snesení vejce dochází vlivem snížení teploty k smrsknutí vaječného

obsahu a tyto blanky se od sebe oddělí. Tím vzniká na tupém konci vejce vzdu-

chová komůrka, která se se stárnutím vejce zvětšuje.

Žloutek

Žloutek představuje přibližně 30 % hmotnosti vejce. Obsahuje 50 % vody,

16 % bílkovin 1,7 % minerálních látek, 0,3 % sacharidů a 32 % tuku. Je ne-

zbytný pro výživu zárodku. Má tvar zploštělé koule, jeho průměr se pohybuje

39

okolo 35–40 mm. Na povrchu žloutku se nachází jemná blanka, nazývaná vite-

linní membrána, která chrání obsah žloutku před jeho vylitím. Žloutek se skládá

z několika vrstev světlého a tmavého žloutku, ty se pravidelně střídají. Světlý

žloutek obsahuje více vody a bílkovin, naopak tmavý žloutek obsahuje více

lipidů a pigmentu. Světlý žloutek uprostřed vejce vytváří dutinku, kterou ozna-

čujeme jako latebra, představuje první výživu pro vyvíjející se zárodek. Na

horní části žloutku můžeme pozorovat zárodečný terčík, který je šedobílé barvy

a dosahuje velikosti kolem 2–3 mm.

Vaječný žloutek je zdrojem důležitých vitamínů a minerálů. Žloutek je bohatý

na biotin, vitamíny skupiny B, vitamíny skupiny E, vitamín A a vitamín D.

Z minerálních látek se jedná především o železo, draslík, fosfor, zinek a selen.

Bílek

Bílek představuje přibližně 60 % hmotnosti vejce, z 80 % je tvořen vodou, dále

obsahuje bílkoviny (11 %), sacharidy (0,7 %), minerální látky (0,7 %) a vita-

míny (skupiny B). Bílek neobsahuje žádný tuk. Na žloutkovou blánu se těsně

přimyká nejhustší bílek, zvaný také chalázový, který směrem k oběma pólům

vejce vytváří poutka (chalázy), umožňující natáčení zárodečného terčíku

k teplu samice sedící na vejcích. Tato poutka mají ještě další funkci, jde

o udržení žloutku ve středu vejce. Ostatní bílek je ve vnitřní vrstvě řídký

a v povrchové vrstvě hustý. Připojení bílku ke skořápce zajišťují podskořepko-

vé blány vnější a vnitřní.

Skladování vajec

Vejce skladujeme v suchu a chladu. Přenášením vajec z chladu do tepla či nao-

pak dochází k zvlhnutí skořápky a tím se stávají dobrou půdou pro bakterie. Na

krátkou dobu ukládáme vejce do stojánku špičkou dolů, aby mohla dýchat,

občas je však převracíme, aby nedošlo k usazení žloutku na jedné straně. Pokud

chceme vejce skladovat delší dobu, můžeme je naložit. Může to být do vápna,

do vodního skla či jiných konzervačních prostředků.

Vaření vejce a fyzika

Je známo, že při přípravě vajec, jejich vaření, nemusíme vždy dosáhnout dob-

rého výsledku. V horké vodě se obsah vejce a především vzduch rozpínají,

a tím skořápka praskne a bílek částečně vyteče. Tomuto můžeme předejít. Stačí

do plošší části vejce, tedy tam, kde má vzduchovou bublinu, udělat špendlíkem

dírku. Nebo také můžeme vodu, ve které vejce vaříme, osolit, popřípadě přidat

http://www.zdravianemoc.cz/vitamin-b.html?PHPSESSID=j55juegdd6e20s8ukdfa7i97t4http://www.zdravianemoc.cz/vitamin-e.html?PHPSESSID=j55juegdd6e20s8ukdfa7i97t4http://www.zdravianemoc.cz/vitamin-a.html?PHPSESSID=j55juegdd6e20s8ukdfa7i97t4

40

pár kapek octa. Po osolení vody totiž zabraňují větší ionty sodíku a chlóru mo-

lekulám vody v jejich pronikání přes obaly dovnitř vejce. Po uvaření se nám

také může stát, že vejce jde špatně oloupat, abychom tomuto předešli, musíme

co nejrychleji po uvaření teplou vodu vyměnit za studenou. Obecně je známo,

že starší vejce jdou loupat lépe než vejce čerstvá.

Jak dlouho vařit vejce? Většina kuchařek uvádí následující: chceme-li vejce

s tekutým žloutkem (vejce naměkko), vaříme jej 2,5–3 minuty; 4–5 minut pro

středně tekutý žloutek (vejce na hniličku) a 7–9 minut pro žloutek pevný (vejce

na tvrdo). Doba vaření se počítá od doby, kdy voda začne opět vřít po vložení

vejce do vody, tedy kdy se ode dna odrazí první velká bublina. V případě, že je

vejce menší, odečteme jednu minutu, v případě, že je větší, naopak jednu minu-

tu přičteme. Pojďme se touhle problematikou zabývat hlouběji. Jaké jsou hlavní

parametry pro správné uvaření vejce? Souvisí doba vaření například s velikostí

vejce, dále s tím, je-li vejce určeno k vaření, je bráno z lednice či z místnosti

o pokojové teplotě, je-li dáno do studené nebo vařící vody…

Stanovení doby vaření vejce z hlediska fyziky

Vzorec pro výpočet doby vaření byl publikován panem doktorem Charlesem D.

H. Williamsem (přednáší fyziku na univerzitě v Exeteru). Vzorec vychází

z jednoduchých veličin:

vejce voda2/3

žloutek voda

0,451 ln 0,76t t

mt t

(tvejce [°C] – počáteční teplota vejce, tvoda [°C] – teplota vody, tžloutek [°C] – po-

žadovaná teplota žloutku (vejce naměkko 65 °C a méně, vejce natvrdo 72 °C

a více, převážně 77 °C), [min] – doba vaření, m [g] – hmotnost vejce)

Pokud neznáme hmotnost vejce a nelze je zvážit, lze využít upravený vzorec od

Petra Barhama. Vzorec pro dobu vaření vejce přejde ve tvar:

voda vejce2

voda žloutek

0,0152 ln 2t t

ct t

(tvejce [°C] – počáteční teplota vejce, tvoda [°C] – teplota vody, tžloutek [°C] – po-

žadovaná teplota žloutku (vejce naměkko 65 °C a méně, vejce natvrdo 72 °C

a více, převážně 77 °C), [min] – doba vaření, c [cm] – obvod vejce)

41

Jak probíhá proces vaření vejce

Při vaření se nejdříve ohřívají bílkoviny, které se začnou srážet ve vaječný

bílek. Proces srážení bílkovin nastává při teplotě 61,5 °C, v tuto chvíli je bílek

mléčný. Bílek se skládá převážně z bílkoviny albumin (tvoří 54 % bílku), která

se sráží až při teplotě 84,5 °C. Až tehdy se tedy bílek stává tuhým. Během srá-

žení bílku není převedena žádná tepelná energie do žloutku. Tuhnutí bílku se

chová jako tepelný izolant pro žloutek. Ten se začne srážet až tehdy, když je

bílek zcela ztuhlý. Čas, který je potřebný k tomu, aby měl bílek teplotu 80 °C,

je asi 3 minuty. Následuje fáze tuhnutí. Během této fáze zůstává žloutek měk-

ký. Čas, než bílek zcela ztuhne, je 2–3 minuty. V rozmezí 80–90 °C začíná

žloutek hrudkovatět a my dostaneme vejce natvrdo. Tyto změny jsou uvedeny

v následující tabulce:

Tabulka 3: Tuhost vejce v závislosti na teplotě

Teplota [°C] Bílek Žloutek

62 Začíná tuhnout, řídký Tekutý

64 Částečně tuhý Začíná tuhnout

66 Většinově tuhý Měkký

70 Částečně pevný, vláčný Měkký, tužší, voskový

80 Zpevněný Zpevněný

90 Pružný, pevný Hrudkovitý

Pozor – teplota varu vody závisí na nadmořské výšce. Při hladině bereme teplo-

tu varu vody jako 100 °C. S rostoucí nadmořskou výškou se teplota varu vody

snižuje, konkrétně o 0,3 °C na každých dalších 100 metrů výšky.

Zamyslete se: Proč je doba varu vejce v sauně mnohonásobně delší než ve vodě

na sporáku?

V sauně je třeba vejce vařit až několik hodin. Je to dáno tím, že vejce je obklo-

peno vzduchem, který má téměř tisíckrát menší hustotu než voda, a proto je

tepelná výměna ve vzdušném prostředí mnohem menší.

Pomocí následujícího grafu můžeme vyčíst, jak se má vejce dlouho vařit. Zo-

hledňujeme dvě kritéria: obvod vejce a váhu vejce, přičemž pracujeme

s teplotou vody 100 °C a teplotou vejce 4 °C.

42

Obr. 28 Doba vaření vejce v závislosti na obvodu a hmotnosti

Například má-li naše vejce obvod 14 cm a my jej chceme uvařit s naprosto

tekoucím žloutkem (tedy vejce naměkko), vaříme 4 minuty 55 sekund. Bude-

me-li vycházet z váhy vejce, pak přiměřená doba vaření 65 g vejce bude zhruba

4 minuty 58 sekund.

Na obrázku níže lze vidět, jak průřez vejce vypadá při různých teplotách.

Obr. 29 Řez vejcem při různých teplotách

43

Experimentální část – pokusy s vejci

Je vejce vařené nebo syrové?

Pomůcky: uvařené vejce, syrové vejce

Provedení: Vařené i syrové vejce roztočíme na pevné a vodorovné podložce.

Pozorujeme. Uvařené vejce se při roztočení postaví na špičku a rotuje také

mnohem rychleji.

Vysvětlení:

Vařené vejce je na rozdíl od syrového pevné, jehož části se vůči sobě snadno

pohybují. Proto vařené vejce snadněji roztočíme, dokonce při rychlém roztoče-

ní se postaví na špičku. Žloutek syrového vejce, který má větší hustotu než

bílek, se při roztočení vychyluje ze své normální polohy, vejce se stává nesta-

bilní a nemůže se vzpřímit. U syrového vejce je však jedna zvláštnost – když jej

roztočíme, na okamžik zastavíme a zase pustíme, opět se roztočí. Příčinou je

platnost zákona setrvačnosti, žloutek i část bílku se nezastavily a točily se dál

i přesto, že skořápka byla na okamžik v klidu.

Obr. 30 Otáčející se syrové a vařené vejce

Jiná možnost: Roztočených vajec se lehce dotkněte. Vařené vejce se zastaví,

syrové bude pokračovat v pohybu.

Úvaha: Žloutek syrového vejce, který má větší hustotu než bílek, se při rozto-

čení vychyluje ze své normální polohy. Proto je vejce nestabilní a nemůže se

vzpřímit. Při krátkém zabrzdění se bílek a žloutek uvnitř syrového vejce otáčí

dále a přivede vejce opět do rotace. Vařené vejce se chová jako tuhé těleso

a stává se z něj setrvačník. Vzhledem k jeho tvaru je přirozená jeho snaha

vzpřímit se.

44

Vejce na nakloněné rovině

Pomůcky: deska, kolejničky, syrové a vařené vejce

Provedení: Připravíme si nakloněnou rovinu pomocí rovné desky. Na nakloně-

nou rovinu připevníme kolejničky, aby nám vejce nespadlo. Změříme čas po-

hybu syrového a vařeného vejce. Zjistíme, že syrové vejce bude dole dříve. Na

nakloněnou rovinu lze připevnit také dvě kolejnice vedle sebe a syrové i vařené

vejce pustit současně. Pozorujeme, které z nich bude na konci nakloněné roviny

dříve.

Vysvětlení:

Tento výsledek je podmíněn stavbou vejce. Obě vejce mají na počátku stejnou

energii. Ve vařeném vejci se část této energie přemění na rotační pohyb, který

konají všechny jeho části. Avšak u syrového vejce rotuje při koulení pouze

vnější vrstva bílku, vnitřek vejce je téměř bez rotace a koná pouze posuvný

pohyb.

Poznámka

Při tomto pokusu bychom měli dbát na to, aby jak syrové, tak vařené vejce byly

stejně velké. Před zahájením pokusu je vhodné se syrovým vejcem zatřepat,

aby se bílek od skořápky uvolnil. Zároveň je pro tento pokus důležité, aby

syrové vejce bylo co nejčerstvější, aby již nepřecházelo do rosolovitého stavu.

Jak poznat čerstvé vejce?

Pomůcky: čerstvé vejce, starší vejce, širší sklenice či kádinka, voda

Obr. 31 Určení stáří vejce

Provedení: Čerstvé a starší vejce vložíme do sklenice s vodou. Pozorujeme.

45

Čerstvé vejce bude ležet vodorovně, zatímco starší vejce bude stát svisle. Zka-

žené vejce poznáme tak, že jeho část bude vystupovat z hladiny ven. Stáří vejce

jde odhadnout také z úhlu, který svírá podélná osa se dnem nádoby (obr. 31).

Na obr. 32 srovnání polohy vejce starého 3 dny a 22 dnů.

Stáří 3 dny Stáří 22 dnů

Obr. 32 Srovnání polohy vejce starého 3 a 22 dní

Plavání vajíčka: Archimédův zákon. Využití: třeba hospodyňky podle toho

poznají, zda je vajíčko čerstvé nebo ne. Staré vajíčko je uvnitř vyschlé, pod

skořápkou je vzduch a proto při ponoření do vody plave, kdežto čerstvé vajíčko

klesne na dno.

Vejce v láhvi

Pomůcky: skleněná láhev s širším otvorem, uvařené oloupané vejce, zápalky

Provedení: Zapálíme zápalku a hodíme ji do připravené láhve. Co nejrychleji

na otvor láhve položíme oloupané vejce špičkou dolů, je lepší použít vejce

vařené na hniličku, jsou pak elastičtější. Pozorujeme.

Vysvětlení:

Hořící zápalka ohřívá vzduch v láhvi, dochází k jeho rozpínání a unikání mezi

stěnou láhve a položeným vejcem. Při hoření zápalky vzniká vodní pára a oxid

uhličitý. Při styku vodní páry se stěnou láhve začne pára kondenzovat. Oxid

46

uhličitý se bude rozpouštět ve vzniklé vodě. Po dohoření zápalky se ochladí

zbylý vzduch v láhvi, vznikne podtlak a vejce je vtaženo do láhve.

Průměr otvoru skleněné láhve by se měl pohybovat okolo 2/3 průměru vejce.

Vajíčko můžeme dostat lehce zpátky, když láhev otočíme dnem vzhůru

a zprudka do ní foukneme. Když potom ústa oddálíme, vajíčko vypadne. Vytla-

čí ho ven větší tlak vzduchu uvnitř láhve.

Vejce jako nosníky

Pomůcky: 3 syrová vejce, deska, plato od vajec, nůžky, případně sádra

Provedení: Z plata vystřihneme tři jamky pro vajíčka, která do nich vložíme.

Takto připravená vajíčka rozmístíme do trojúhelníku a položíme na ně desku

tak, aby ležela na všech třech vejcích rovnoměrně. Postupně na desku dáváme

knihy a sledujeme, kolik jich vejce udrží.

Vysvětlení:

Hmotnost knih se rozloží pomocí desky na celou její plochu, tím se rozloží

i tlak na jednotlivá vejce. Tlaková síla působící na oblý tvar každého z vajec se

rovnoměrně rozkládá po celém jeho povrchu.

Pokud chceme zvýšit nosnost vajec, tak každé z nich obtiskneme z 1/3 do sád-

ry, poté vejce vyndáme a sádru necháme ztuhnout. Tyto stojánky zajistí rovno-

měrné rozložení tlaku. Po ztuhnutí sádry položíme vejce zpět do stojánku

a rozmístíme je do trojúhelníku. Položíme na ně desku a opatrně se na ni posta-

víme. Výsledek pokusu je ovlivněn hmotností člověka a kvalitou vajec. Zjistí-

me, že při takto provedeném pokusu vejce udrží člověka vážícího až 90 kg.

Vejce musí být stejně velká, aby byl tlak rozložen rovnoměrně, kdyby jedno

bylo větší, prasklo by a celý pokus by skončil neúspěchem.

Denaturace bílkovin

Pomůcky: pánev, hrníček, 96 % líh, vejce

Provedení: Pánev položíme na stůl a nalijeme do ní líh. Do hrníčku rozklepne-

me vejce, které poté přidáme k lihu. Pozorujeme.

Během prvních několika minut můžeme vidět, že vejce mění barvu na obvodu –

je bílé. Když se na vejce podíváme za několik hodin, je vidět, že bílek vypadá

jako tepelně zpracovaný.

47

Vysvětlení:

Příčinou této změny je děj nazývaný denaturace, během kterého dochází ke

změnám struktury bílkovin a ty ztrácejí svou biologickou aktivitu. Jak již víme,

hlavní částí bílku jsou právě bílkoviny. Proteinové řetězce v bílku jsou zamotá-

ny do klubíček. Jedná se tzv. globulární bílkoviny. Když smažíme nebo vaříme

vejce, teplo způsobí, že tyto proteinové řetězce se rozbalují a postupně se vážou

vzájemně na sebe. Denaturace může probíhat i dalšími způsoby, například již

uvedeným smažením či vařením, šleháním bílků, pomocí chemických látek

jako je alkohol, sůl, aceton a podobně.

Rychlost denaturace v experimentu závisí na množství alkoholu. Pokud vejce

navíc ještě promícháme, denaturace probíhá rychleji v celém objemu.

Rozpouštění skořápky (dlouhodobý pokus)

Pomůcky: jedno bílé syrové slepičí vejce, ocet, zavařovací sklenice

Provedení: Vajíčko dáme do sklenice a zalijeme je octem. Druhý den ocet vy-

měníme. Na vejce se nedíváme potom alespoň týden (někdy to ale trvá déle).

Po této době by vajíčko mělo být čisté, ale bude mít stále svůj tvar. Ocet roz-

pustí skořápku, ale membránu nechá neporušenou.

Když tento pokus provedeme s uvařeným vajíčkem, skořápka se rozpustí úplně

stejně, ale zůstane nám gumové vajíčko, které může skutečně skákat (když ho

ale nehodíme z moc veliké výšky).

Pro pobavení je možné zkusit v octu stejným způsobem rozmočit kuřecí kůstku.

Když použijeme čerstvou, mělo by se nám podařit ji ohnout a dokonce na ní

udělat uzel.

Vznášející se vejce

Pomůcky: syrové vejce, sklenice, sůl

Provedení: Syrové vajíčko se může vznášet ve velmi slané vodě. Když doká-

žeme nalít do půlky sklenice slanou vodu a sklenici doplnit čerstvou vodou,

aniž by se smíchaly (je lepší lít tu čerstvou po lžičkách po stěnách sklenice),

mělo by se vám pak podařit opatrně ponořit vajíčko do sklenice mezi obě vrst-

vy. Pokus je velmi efektní, zejména pokud žáci nevědí, jak je pokus realizován.

Je také možné namíchat roztok slané vody (metodou pokus omyl), který ukáže

přesnou váhu vajíčka. Vajíčko se bude vznášet v kterékoli vrstvě, do které ho

48

ve sklenici umístíme. Když pak přidáme jen malé množství soli, vznese se až

na hladinu. Když naopak přidáme trochu čerstvé vody, zase se ponoří.

Ekvilibristika s vejci

Pomůcky: uvařené vejce, sůl

Provedení: Jestliže budeme hodně opatrní a máme pevnou ruku, můžeme po-

stavit uvařené vajíčko na špičku. Každé vejce se dá vyvážit na svém širším

konci, což je jednodušší. Postavit vejce na špičku tenčí můžeme provést jedno-

duše tak, když si předem na stole připravíme malou hromádku ze soli a na ní

vajíčko vyvážíme. Potom jemně sůl odfoukneme pryč. Několik zrnek, která ve

skutečnosti drží vajíčko, zůstanou pod ním. Vejce tato zrnka schová a my vidí-

me, že vejce stojí samo. Tento trik je znám jako Kolumbovo vejce.

Tajné zprávy na vajíčkách

Pomůcky: vajíčko natvrdo, octan, ocet, párátko

Provedení: Uvaříme vajíčko, asi po dobu 5 minut. Necháme je vychladnout.