スフレを作ったことはありますか？オーブンで高く上がるときのスリルを体験したことがありますか?とても美しくて軽いですか？しかし、オーブンの外で冷やすと、再び沈んだときに非常にがっかりすることはありませんか?
フライパンに卵を入れてふたをすると、卵が大きく膨らみ、ふたを外すとまた崩れてしまうのを見たことがありますか?または、オーブンでケーキを持ち上げるのを見たことがありますか?または、気取らないシュー菓子のボールがオーブンで軽いエクレアになる様子を見ましたか?
もしそうなら、理想気体の法則が働いているのを見たことになります。ガスは、料理やベーキングをしている間、常に収縮したり膨張したりします。そして、このガスの法則がどのように機能するかを知ることは、少なくとも、スフレが崩壊した理由を仲間に説明するのに役立ちます。また、彼らが完全に崩壊するのを防ぐのにも役立ちます.
相変化 – 固体 – 液体 – 気体
ガスといえば、私たちが身の回りで吸っている酸素や、車のエンジンから排出される二酸化炭素を思い出させるかもしれません。しかし、沸騰した熱いお茶の蒸気もガスです。パンの中の気泡もすべてガスで満たされています。
気体は物質の状態の 1 つにすぎません。食品に含まれる他の 2 つの一般的なものは、固体と液体です。気体の特別な点は、気体内では、その気体を構成するすべての分子が互いにほとんど独立して移動できることです。
すべての分子が所定の位置に固定されている固体 (角氷など) や、分子が互いに引っ張られる液体とは異なり、分子は気体内で多くの自由を持っています。彼らが閉じ込められた空間に自分自身を分散させるほどです。これは、パン生地のエア ポケット内または沸騰したお湯のポット内である可能性があります。
気体の挙動の説明:理想気体の法則
この独立した振る舞いにより、気体は興味深いことを行い、それらのことは理想気体の法則を使用して説明できます。名前が示すように、この法則は理想気体の振る舞いを表しています。実際には、ほとんどのガスは理想的ではありません。それでも、これらの基本的な概念は、ほとんどの食品に十分に当てはまり、シュー ペストリー、スフレ、パン生地の発酵を説明するのに役立ちます.
理想気体の法則は、さまざまな温度、圧力、体積の下で気体がどのように振る舞うかを表しています。これは非常に単純な式で表すことができます:
p * V =n * R * T
場所:
- p =圧力 (単位は Pa)
- V =体積 (単位 =m)
- n =分子の数 (単位「モル」で表現)
- R =ガス定数。これは常に同じ固定数です (8,314 J/molK)
- T =温度 (単位 =ケルビン)
この式は、ガスが存在する空間の圧力にその空間の体積を掛けると、その結果は、存在するガス分子の数、特定の定数、および温度の掛け算と同じになることを示しています。
ただし、料理人の場合は主に、シナリオの比較を開始するときに使用します。特定の空間にガスがある場合 (例:パン生地に気泡がある場合)。今のところ、ガス定数と同様に、分子の量は一定であると仮定できます。
オーブンでは温度が上昇します。そのため、n * R * T より大きな値になります。そのため、p * V も大きくなるはずです。この場合、体積が増加し、気泡内のガスが熱によって膨張します。
この種の温度変化は食品中で常に発生しており、分子の数でさえ体積が変化する可能性があります。次の例は、これらのシナリオのいくつかを生き生きとさせます。
なぜ「本物の」気体は理想的ではないのですか?
理想気体の法則では、科学者はその気体についていくつかの仮定を立てます。まず第一に、気体を構成する分子は互いに引力を持たないと仮定します。互いにくっついたり、押したり引っ張ったりしないでください。第二に、ガス分子自体は実際には空間を占有しないと仮定します。
実際には、どちらの仮定も正しくありません。ただし、室温や大気圧などの適度な温度に近い場合、多くのガスは非常に理想的な挙動を示します。圧力と温度が大きく異なる場合、この仮定はうまくいきませんが、食品ではこれらの「通常の」条件にかなり近い状態を保つ傾向があるため、理想気体の法則は便利なツールになります!
理想気体の法則の例 1 – ポップコーンをはじく
300K (27°C) の温度と 100.000 Pa の圧力で 1 m の容器 (または巨大なポップコーン コーン粒) を想像してみてください。これら 3 つの変数を使用して、この巨大なトウモロコシ粒に含まれる気体のモル数を計算できます。 :
p * V =n * R * T
これは次のように書き換えることができます:
n =(p * V) / (R * T)
n =(100.000 * 1) / (8,314 * 300) =40 モル
次に、この架空のとうもろこしの穀粒を 400K (127°C) まで加熱します。とうもろこしの穀粒は非常に丈夫で硬いことを忘れないでください。圧力がかかっても変形せず、分子が外に出ることはありません。 （実際には、カーネル内の水の蒸発により、より多くのガス分子が形成されますが、ここでは無視します。）そのため、式では、n、V、R の 3 つのものが同じままであることがわかっています。
したがって、式の左側と右側を均等にするために、圧力を変更する必要があります。とうもろこしの穀粒を加熱すると、まさにそれが起こります:
p * V =n * R * T
これは次のように書き換えることができます:
p =(n * R * T) / V
p =(40 x 8,314 x 400) / 1 =133.333 Pa.
最初の圧力が 100.000 Pa だったことを思い出してください。つまり、かなり変わりました！圧力の蓄積は、容器またはカーネルが圧力を処理するのに十分な強度がある場合にのみ発生します.ポップコーンの粒でさえ、ガスを閉じ込めるために圧力が高すぎると、ある時点で壊れます.
理想気体の法則の例 2 – スフレを焼く
ここで、300K (27°C)、100.000 Pa の圧力で、内部に 40 モルのガスが入った同じ 1m の容器を想像してみてください。再び容器を加熱します。しかし、この容器がまったく固くないと想像してみてください。その代わり、スフレ生地です。スフレ生地はとても繊細で柔らかいです。それらは、気泡でいっぱいのホイップされたふわふわの卵白を含む傾向があります.この生地を 400K に加熱しましょう。
繰り返しますが、新しいガスが形成されたり消えたりすることはないと仮定しています (これは実際には完全に真実ではありません!)。
ポップコーンの例で見たように、圧力が再び上昇すると予想するかもしれません。しかし、このスフレ生地は堅い器ほど強くありません！スフレ生地は圧力が高くなると形状を保持できないため、スフレ内の圧力は周囲の空気の圧力と同じであると仮定する必要があります。ではどうなるでしょうか?
p * V =n * R * T
(n、R、T、および p の値がわかっているため):
V =(n * R * T) / p
V =(40 x 8,314 x 400) / 100.000 =1,3m
1mから始まったスフレ生地が大きくなりました！
スフレの大きな課題の 1 つは、オーブンから取り出した後に崩れないようにすることです。残念ながら、これはスフレがその形状を保持し、圧力の変化に抵抗するのに十分な剛性がある場合にのみ機能します.スフレは、たとえ調理済みであっても、非常にデリケートな構造をしており、これを処理することはできません。したがって、温度の低下は常に、少なくともいくらかの体積の減少をもたらします。
理想気体の法則の例 3 – ケーキを焼く
多くの食品では、食品中のガス分子の数は一定ではありません。ケーキを焼いたり、ポップコーンを弾いたり、スフレを焼いたりすると、新しいガスが発生します。水は蒸発して気体になり、ベーキングパウダーなどの膨張剤は二酸化炭素ガスを生成する可能性があります.水は蒸発します。
前の 2 つの例から同じシナリオに戻りましょう。ただし、この場合はケーキ生地です。40 モルのガス、300K の温度、1man の体積、100.000 Pa の圧力を使用します。再び温度を上げます。 400Kまで。しかし今回は、ベーキングパウダーと蒸発する水のおかげで、たくさんの新しいガス分子が形成されます。これにより、合計 60 モルのガス分子が生成されます。
ケーキの生地はあまり強くないので、それ以上の圧力に耐えることができないため、圧力は一定に保たれます.その結果、音量を再度変更する必要があります:
p * V =n * R * T
V =(n * R * T) / p
V =(60 * 8,314 * 400) / 100.000 =2,0m
前の例と比べて、このケーキがどれだけ大きくなったかわかりますか?よく調理されたケーキ生地は、スフレよりも強い.そのため、オーブンから取り出した後の温度低下に耐えることができます。ただし、それはよく調理された場合に限ります。オーブンからケーキを取り出すのが早すぎると、ケーキが崩れてガスの一部が失われる可能性があります.オーブンに戻したとしても、これらのガスが失われるため、元のサイズに戻すことはほとんど不可能になります.
力を合わせる
ほとんどの食品では、これら 3 つの例の組み合わせによって物語が完結します。ポップコーンの場合、さらに多くの水が蒸発して気体になるため、気体分子の数も増加します。スフレも同様。スフレの水分は蒸発して気体になり、この気体の振る舞いに参加します。さらに悪いことに。スフレをオーブンから取り出すと、この水分の一部が再び凝縮します。これにより、スフレがさらに収縮します。
多くの場合、さらに多くのプロセスも同様に役割を果たします。構造は超剛体でも超柔軟でもない傾向があり、代わりに、圧力、体積、ガス分子の数、および温度がすべて同時に変化する可能性が最も高い.または、調理プロセスの開始時に開始するものもあれば、最後に変化するものもあります.とはいえ、これらの基本的な概念を理解するために、すべての詳細を理解する必要はありません!
ガスが働いている別の素晴らしい例が必要ですか?シュー菓子について読んでください。柔らかい液体の空気のないシュー生地が、この驚くほどふんわりとしたパフに膨らみます。これは、ガス分子の増加とバッターの膨張の組み合わせです。
参考文献
カーン アカデミー、理想気体の法則とは?、リンク
