Физики измерили теплопроводность сферической картошки и помидоров

Американские физики описали дешевый метод измерения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности у фруктов и овощей с помощью придания им сферической формы и опускания в кипяток. Измерению подверглись картофель, батат, тыква, таро, редис, баклажан, лимон, помидор и лук. Результаты оказались в ряде случаев точнее, чем литературные данные, а суммарная стоимость материалов и инструментов для проведения измерений составила около 100 долларов. Исследование опубликовано в American Journal of Physics.

Готовка еды и ее употребление — это неотъемлемая часть деятельности человека и нередко становится объектом научного познания. Процесс готовки представляет собой сложный физико-химический процесс, поэтому его исследование зачастую представляет собой нетривиальную задачу. Тем не менее прогресс есть. Например, физика помогает ученым готовить более вкусную лапшу и жареную курицу.

Вместе с тем и сами продукты питания часто становятся объектом исследования. Так, ученые исследуют оптические спектры манговых и апельсиновых соков, недеструктивно измеряют красноту яблок с помощью интерактантной спектроскопии, а также проверяют законы диффузии с помощью маринованных яиц. Наконец, еда — это дешевый материал опытов для «большой» науки: теории композитных материалов, гранулированного газа и реологии. Использование продуктов в эксперименте делает их доступнее для людей и образовательных организаций, которые не обладают большим бюджетом для создания полноценных лабораторий.

Другим примером стал эксперимент, проведенный группой американских учителей и школьников под руководством Джима Вана (Jim Wang) из NanoNuvo Corporation. В своих опытах авторы адаптировали метод измерения теплопроводности по Ансуорту к девяти разным овощам и фруктам: картофелю, батату, тыкве, таро, редису, баклажану, лимону, помидору и луку. Метод Ансуорта и Дуарте заключается в придании материалу сферической формы и помещении в его середину термопары, после чего объект помещают в горячую среду известной температуры и измеряют зависимость температуры в середине сферы от времени. В отличие от оригинального исследования, группа не только использовала нетипичные материалы, но и меняла диаметр сфер, что дало возможность исследовать масштабирование процесса теплопроводности.

Самые точные результаты у авторов получились при работе с твердыми овощами: картофелем, бататом, тыквой, таро, редиской и баклажаном, — поскольку из них проще всего было сделать идеальные сферы. Для их формирования они использовали обыкновенную Y-образную овощечистку. Оставшиеся продукты не поддавались сферическому формообразованию, поэтому исследователи изначально брали плоды, близкие по форме к шару. И если в первом случае отклонение от сферичности, выраженное через дисперсию диаметров, измеренных в 10 различных направлениях, не превышало миллиметра, то во втором случае оно могло достигать двух миллиметров.

Каждый образец помимо измерения размера подвергался взвешиванию, что позволяло вычислить плотность продукта, чтобы связать коэффициенты теплопроводности и температуропроводности. Ученые аккуратно вставляли в каждую сферу провод термопары таким образом, чтобы миллиметровый зонд оказался ровно в ее центре. После этого они помещали шарик в кипяток и начинали измерение температуры.

Получающиеся графики имели нелинейный вид. Для их интерпретации физики решали уравнение теплопроводности для сферически симметричной геометрии, в которой остается всего одна радиальная координата. Подгонка решения к экспериментальным кривым позволила извлечь коэффициент температуропроводности, а повторение опыта с разными радиусами убедиться, что скорость нагрева масштабируется как площадь поверхности сферы, через которую тепло проникает внутрь.

Таким способом удалось получить новые данные по фруктам и овощам, которые в ряде случаев оказались точнее, чем данные из литературы. Вместе с тем, физики увидели, что результат получается различным, если аппроксимировать разные временные участки эксперимента. Например, если в начале опыта (0–250 секунд) коэффициент температуропроводности картофеля был равен 1,32 × 10⁻⁷ квадратных метров на секунду, то на более позднем этапе (более 400 секунд) он достиг значения 1,42 × 10⁻⁷ квадратных метров на секунду. Авторы связывают это с тем, что картофель банально сварился, а, значит, изменилась его внутренняя структура вместе с теплопроводящими свойствами, чего их модель не учитывала. В статье не сообщается, съели ли они образцы по окончанию экспериментов.

Общая стоимость материалов и инструментов, использованных в исследовании, составила около 100 долларов. Из них чуть больше половины было потрачено на термопару и вольтметр. Измерение каждого образца заняло у авторов около 10–30 минут, в зависимости от диаметра образца. Все это делает проведенный опыт доступным практически любому, кто хотел бы экспериментально исследовать теплопроводность.

N + 1 не первый год следит за кулинарными экспериментами в лабораториях. С подборкой блюд, которые можно приготовить с помощью научного оборудования, вы можете ознакомиться в материале «Лаба по кулинарии».

Марат Хамадеев