アイスクリーム、キャラメル、素敵なファッジを食べているとき、科学的に非常に複雑な製品を実際に消費していることに気付かないかもしれません!砂糖と水の濃度と温度との相互作用は、大きな物理現象を生み出します。これらは実際、いわゆる相図で表すと素晴らしい製品です。これらの図は、そのような製品について多くを物語っています。
これらの状態図は興味深いので、説明してみます。
相図とは
最初に、相図の定義から始めましょう。状態図では、材料 (または材料の混合物) の相がさまざまな温度 (場合によっては圧力) で示されます。したがって、水の状態図では、氷から水へ、水から気体へと変化する温度を確認できます。
この投稿では、必ずしも 1 つの物質 (水など) の相図に関心があるわけではありませんが、砂糖と水、または塩と水などの 2 つの成分の混合物に関心があります。
下の図は、そのような図を示しています。読み方は次のとおりです。
- 横軸は塩分 (NaCl) の濃度です。一番右は 100% の塩、一番左は 100% の水を表します。
- 縦軸は気温です。
- 4 つの異なる色の領域は、特定の温度と濃度で存在する相を表しています。
塩の状態図
2 つの例を見てみましょう:
<オール>スクロースの相図
氷点を下げるために砂糖が一般的に使用されているアイスクリームについては以前の投稿で説明したので、ショ糖と水の状態図についても説明しましょう.以下に示す相図は、ケンブリッジ大学の Web サイトからのものです。用語に詳しい人にとっては、これはいわゆる実用的な状態図です。
ここではアイスクリームについて話しているので、1 つの地域についてのみ説明します。 -18°C で 20% のスクロースを含む砂糖溶液を取ると、「氷と液体」の領域になります。これは、純粋な氷の結晶と砂糖の溶液の両方があることを意味します。これが、私たちのアイスクリームを食べやすくするものであり、多くの氷の結晶と「柔らかい」十分な液体糖溶液ではありません.
濃度の計算
相図から導き出せるもう 1 つの重要な事柄があります。異なる相の濃度です。これは少し複雑な素材なので、例を使用して説明します。以下のグラフを使用してください。
まず、-10℃の 100% 水溶液をとります (左端の赤い点線を上ってください)。水しかないので、この相は氷だけで存在します。今度は同じ温度で 55% を取ります。フェーズ間の交差点で終わります。これは、この時点では液体 (=砂糖溶液) しかないことを意味します。では、これら 2 つの中間点に注目してみましょう。
約-10℃の砂糖20%の砂糖水を用意します。グラフでは、これが連続する赤い線が終了する場所です。この点から、最も近い境界まで 2 本の水平線を引くことができます。これらの線は、液相と氷相の比率を表します。緑の線は液体部分、青の線は氷の部分を示します。 2 つの行のどちらがどちらであるかを忘れた場合は、上記の 2 つの例を使用してください。
ここでの計算は次のようになります:
- 分氷:青い線の長さ / 全長 =(55-20)/55 =0,64
- 分画液:緑の線の長さ / 全長 =(20-0)/55 =0,36
これを確認しましょう。青い線が氷で、緑の線が液体だと言ったので、液体よりも氷の方が多いはずです。これはまさに計算でわかったことです。
これらの計算にはいくつかの複雑な数学がありますが、原則を理解することは必須ではないため、簡単に説明することにしました.
状態図の作成
残念ながら、非常に複雑なソリューションの場合は特に、状態図を作成するのは簡単ではありません。たとえば、砂糖と塩を水に溶かした溶液は、このような図で視覚化するのがすでにはるかに複雑です。タンパク質などのさらに多くの成分が存在する場合、それらはすべて相互作用するため、さらに複雑になります。
ダイアグラムの計算はしばしば複雑であり、これらの詳細については深く掘り下げません。ただし、材料がいつどの段階にあるかがわかれば、状態図を描くことができます。
これらのフェーズ ダイアグラムは、さまざまな製品やシナリオで使用されます。砂糖菓子を作るとき、これらの図は理解することが不可欠であり、アイスクリームを説明するのに役立ちます.残念ながら、混合物が複雑になればなるほど、正確な計算が難しくなります。これが、これらの図を 1 対 1 で適用することがしばしば難しい理由です。
参考文献
ケンブリッジ大学、水-ショ糖システム、リンク
ハーバード大学、科学と料理の講義シリーズ、リンク;状態図への元のリンクは無効になっています
