Metodika

Fizika ili termodinamika u šoljici kafe

I Ajnštajn se zamislio oko paradoksa u šoljici

Maksuda Muratović

30.11.2019

Kafa se brže hladi ako je miješamo metalnom umjesto plastičnom kašičicom jer metal bolje apsorbuje toplotu i predaje je okolini.

Ilustracija: Pixabay

Niko, ili gotovo niko, dok pije kafu ne razmišlja o nauci, a u kafi i procesima s njom i oko nje nalaze se razna naučna čuda, pa je cijelu termodinamiku kao dio fizike moguće objasniti pričom o šoljici toplog mirisnog napitka, tek odgovarajući na pitanja šta se događa dok pripremamo kafu, šta se događa dok se ona hladi, šta se događa dok je miješamo i pijemo, ima li sve to veze sa crnom šoljom, metalnom kašičicom i dosipanjem mlijeka i šećera, šta se događa ako želimo da prespemo kafu iz jedne šolje u drugu? Istovremeno, ovakav pristup pomaže da učenice i učenici konceptualno bolje razumiju procese o kojima govorimo na nastavi.

Krenimo od početka!

Koji napitak želite – tursku kafu, nes-kafu ili kapućino? Svi ti napici su rastvori kafe u vodi. Kafa je sačinjena od sitnih granula dobivenih mljevenjem krupnih zrna. Ako je pokušate napraviti sa hladnom vodom, djelimično će se rastvoriti, a po vodi će plivati sitne grudve slijepljenih granula.

Za pripremu turske kafe stavite vodu da se zagrije do tačke ključanja. Temperatura na kojoj ključa neka tečnost zavisi od atmosferskog pritiska. Budući da se on mijenja sa nadmorskom visinom određenog geografskog lokaliteta, voda ključa na različitim temperaturama koje se često znatno razlikuju od 100 stepeni: u Sarajevu na temperaturi od 980C, na vrhu Trebevića na 940C, na Triglavu na 910C.

Voda se inače nalazi u tri različita agregatna stanja – tečno, čvrsto i gasovito. Na stotinu stepeni Celzijusa ona ključa i u potpunosti prelazi u gasovito stanje, odnosno sve više i brže isparava. Ali, voda isparava na svim temperaturama između nula i sto stepeni. To možete vidjeti kada ostavite čašu vode preko noći na stolu ili na radijatoru – dio uvijek ispari. Na stotinu stepeni Celzijusa temperatura vode više ne može da raste dok sva voda ne pređe u paru. Vlažna para je mješavina ključale vode i suho zasićene vodene pare u stanju termodinamičke ravnoteže. Temperatura vlažne vodene pare jednaka je temperaturi ključale vode ili suhe pare za dati pritisak na lokalitetu na kom ključa. Tada se u vodi zadržava velika količina energije, tečnost struji velikom brzinom, pa se granule kafe mnogo bolje rastvaraju.

Za brže ključanje vode najbolje je koristiti džezvu ili drugu posudu sa poklopcem jer poklopac zadržava paru i sprečava gubitak toplote. Toplota se gubi kada džezva nije pokrivena jer strujanje vazduha iznad nje neprekidno odnosi nastalu paru.

Kada voda proključa – uspete kafu i vidite da dolazi do njenog rastvaranja. Pri rastvaranju se troši izvjesna količina energije, tako da tečnost prestaje da ključa. Džezvu sa rastvorenom kafom ponovo vratite na ringlu i dodatno zagrijete kako bi ponovo proključala. Ovo omogućava da se sve granule kafe potpuno rastvore.

 

I šolja ima svoj značaj

Kada smo skuhali kafu i presuli je u svoju omiljenu šolju, možemo da uživamo i razmišljamo o zakonima fizike.

  • Kafa počinje da se hladi jer se toplota prenosi na zidove šolje. Veća šolja ima veću površinu i hladi se brže nego manja, jer se toplota emituje u okolni vazduh.
  • Prema Njutnovom zakonu hlađenja, temperatura kafe se u početku brzo smanjuje, i za manje od minute padne ispod 50 stepeni Celzijusa, ali – kako temperatura postaje niža – sve sporije opada.
  • Ako kafu pijemo na balkonu, gdje je strujanje vazduha brže, ona će se brže ohladiti; ako pušemo iznad površine kafe, topla para će odlaziti brže i kafa će se hladiti. Pri isparavanju kafe troši se energija koja se oduzima od okoline, ali i od same kafe, pa se troši njena unutrašnja energija i zato i temperatura kafe opada.
  • Kafa se dodatno hladi i pri miješanju – topliji slojevi brže stižu do površine i zidova šolje nego pri normalnom strujanju.
  • Ako za miješanje koristimo metalnu umjesto plastične kašičice, metal mnogo bolje apsorbuje toplotu od plastike i predaje je okolini, usljed čega se kafa brže hladi.
  • Ako smo u žurbi i nemamo vremena da čekamo da se kafa dovoljno ohladi, bolje je da koristimo crnu šolju. Prema zakonima apsorpcije i emisije zračenja, crni predmeti bolje zrače toplotu nego bijeli i kafa se brže hladi u crnoj nego u bijeloj šolji.
  • Slatka kafa brže se hladi nego gorka, jer pri rastvaranju šećera dolazi do hemijskih reakcija koje troše izvjesnu količinu toplote, pa se kafa dodatno ohladi svaki put kad se u nju sipa šećer, a još više ako se u nju sipa mlijeko ili šlag.

 

Paradoks u šolji kafe ili Ajnštajnova kafa

Naspimo mlijeko u šolju kafe, promiješajmo kašičicom i posmatrajmo šta će se dogoditi: trake mliječne emulzije rotiraju, a sa njima i granulice kafe. Intuitivno očekujemo da će sve granulice biti na dnu šolje, ali događa se upravo suprotno – zbog centrifugalne sile odlaze ka zidu šolje. Međutim, ove trake i čestice ne zbijaju se uz ivicu šolje, nego se sakupljaju u centru, iako se to protivi postojanju centrifugalne sile. Centrifugalna sila, koja se može osjetiti kada autobus naglo skrene, a svi putnici popadaju ili se zalijepe za prozore, djeluje tako da pri svakoj rotaciji pomjera tijela vani, suprotno od centra, i zato bi pri rotaciji u kafi morala da pomjera i granulice kafe ka zidovima šolje, ali događa se suprotno. Ovu pojavu svojevremeno je primijetila supruga poznatog austrijskog fizičara Ervina Šredingera, naučnika i nobelovca koji je postavio temelje kvantne mehanike. On nije znao da riješi ovu jednostavnu misteriju, pa je njegova supruga sačekala da im Albert Ajnštajn dođe u posjetu i upitala ga šta se to događa u šolji kafe. Ajnštajn je razmislio, zagledao se u šolju i shvatio: zbog trenja sa zidom šolje brzina tečnosti uz ivicu se smanjuje, čime se smanjuje i dinamički pritisak, a statički pritisak se povećava, pa je sila na granulice kafe usmjerena prema sredini, gdje je manji pritisak. Tako se na sredini dna šolje napravi gomila granulica kafe. Ova pojava zove se paradoks u šolji kafe.

 

Presipanje kafe iz jedne šolje u drugu

Ako želimo da prespemo kafu iz jedne šolje u drugu, umjesto u drugoj šolji kafa će završiti na stolu, podu i svemu što se našlo ispod u datom trenutku. Postoji princip u fizici koji se zove Koandin efekat: ako bi naišle na zaobljenu površinu, molekule u pokretu formirale bi takav pritisak na osnovu kog bi nastavile da klize niz tu površinu. Kada presipamo kafu, ona se također sreće sa pritiskom vazduha iz okolne sredine i zahvaljujući njemu nastavlja da klizi niz zaobljenu površinu šolje. Koandin efekat uvjerava nas da će se kafa slivati prilijepljeno uz površinu šolje i kad ona krene da se savija, ali ova pojava nije nepobjediva. Ako su ivice dovoljno oštre, kao kod čaše, tečnost nastavlja da se kreće pravolinijski. To je razlog zašto se kafa ne razliva ako je sipamo iz lončeta i zašto se razliva ukoliko je presipamo iz šolje.

 

Kafa i časovi termodinamike

Pitanja u vezi s procesima u tečnosti (kafe) koja sam postavila učenicima na časovima fizike pokazala su se teškim, odgovori su bili nedefinisani, a većina nije znala ni šta da odgovori. S obzirom na to da po nastavnom planu i programu samo u prvom razredu gimnazije imaju tek deset časova termodinamike, razumijevanje temeljnih koncepata toplote i temperature ostaje uglavnom na niskom nivou. No, postoje smjernice koje pomažu da đaci brže i lakše konceptualno primjenjuju znanja:

  • prepoznavanje zajedničkih miskoncepcija (o toploti i temperaturi),
  • aktiviranje učeničkih miskoncepcija predstavljajući jednostavne kvalitativne primjere, u našem slučaju primjer sa kafom,
  • predstavljanje deskriptivnih dokaza da su tipične miskoncepcije netačne,
  • pružanje naučno ispravnih objašnjenja situacije,
  • stvaranje prilika da đaci pravilno vježbaju objašnjavanje, koristeći pitanja.

 

Nastavnice moraju biti:

  • više uključene u razvijanje i projektovanje optimalnih konceptualnih promjena,
  • informisane o upotrebi i važnosti konceptualne promjene stanja i planirati instrukcijske aktivnosti u skladu s tim.

 

Evo još malo zanimljivosti o kafi i njenom uticaju na organizam.

Latinsko ime joj je Coffea Arabica. Oko 800. godine legendarni etiopijski kozar Kaldi primijetio je da se njegove koze čudno ponašaju – bile su pune energije, skakale i trčale od jednog do drugog grma sa crvenim bobicama i brstile, a te noći nisu spavale. Kaldi se povjerio lokalnom svešteniku, koji je napravio napitak od bobica, a poslije je i sam ostao budan cijele noći. Ubrzo se pročulo da postoji biljka koja daje energiju. U isto vrijeme, afrička plemena pravila su energetske čokoladice od kafe i životinjske masti. Naziv kafa, kava, kahva potiče od arapskog qahwah, što znači napitak od biljke. Kafa ubrzo prelazi područje Crvenog mora i stiže u Arabiju. Oko 1000. godine prvi put je napravljen napitak od pečenih zrna kafe, a od XIII vijeka muslimani su počeli da je piju iz religioznih razloga. Kasnije, gdje god se širio islam – širila se i kafa: u sjevernu Afriku, istočni Mediteran, Indiju. U XVII vijeku kafa stiže u Evropu, a početkom XVIII i u Južnu Ameriku. Od 1800. godine ovaj napitak postaje svakodnevno uživanje za sve slojeve stanovništva u Brazilu.

Kofein iz kafe utiče na mozak na način da poboljšava raspoloženje. Pojedina istraživanja idu toliko daleko da tvrde kako je stopa samoubistva 45% manja kod ljudi koji konzumiraju dvije do tri šolje kafe dnevno, nego kod onih koji je uopće ne piju. Ona poboljšava pamćenje, i to je vjerovatno razlog zašto je mnogi studenti vole piti tokom učenja. Relativno nova studija ukazala je na to da kofein, osim što djeluje kao stimulans i poboljšava pažnju i koncentraciju, ima pozitivne učinke i na dugoročno pamćenje. U manjim dozama, kofein poboljšava mentalne sposobnosti i budnost. No, važno je naglasiti i kako kofein ne utiče na sve nas na isti način. On može imati uticaj na fizičke sposobnosti, može isključiti receptore u mozgu zadužene za adenozin, koji uzrokuje osjećaj umora, a, osim toga, jedna do maksimalno četiri šoljice kafe dnevno (ovisno o vašoj težini) mogle bi poboljšati rezultate treninga izdržljivosti i aerobika. Može povisiti krvni pritisak i uticati na nivo holesterola, s tim da to hoće li uticati na nivo holesterola u organizmu zavisi od načina na koji se kafa pije. Naime, u turskoj kafi i espresu ima znatno više kafestola nego u filtriranoj ili instant-kafi. Ispijanje kafe može trenutno povisiti vaš krvni pritisak, ali najčešće se radi o kratkoj, privremenoj promjeni. Previše kafe moglo bi rezultirati glavoboljom, nesanicom i tjeskobom. U takvim situacijama, ako naglo pokušate prestati konzumirati kafu, mogli biste osjetiti apstinencijsku krizu koja najčešće traje 12 do 48 sati, a glavni simptom je glavobolja.

Najnovije

Umne mape u školama

Nastava fizike pokazala da je ova metoda učenja veoma korisna

Maksuda Muratović

Rad sa teškim đacima

Najvažniji dio je klasifikacija

Amna Dervišagić

Eksperiment za čas fizike

Važnost mjerenja atmosferskog pritiska

Maksuda Muratović

Još jedan zanimljiv eksperiment za učionicu

Povodom dana osnivanja Mense: uloga pamćenja u nastavi fizike

Amna Dervišagić

Zapisi iz učionice

Inkluzivna nastava preko leđa nastavnika

Mirza Ahmetović