食品を準備するとき、食材の状態は絶えず変化します。熱したフライパンでバターを溶かしたり、とろみのあるスープを煮詰めたり、液体のカスタードをアイスクリームの固い容器に変えたりします。
気づかないうちに、おいしい食べ物を作るために、固体、液体、気体の 3 つの*状態を絶えず切り替えています。
しかし、これらの移行はどのように機能するのでしょうか?それを知っていれば、それらをさらに有利に利用できるようになります!
分子の移動 – 動力学
周りの全世界は分子で満たされています。分子は私たちの食物の構成要素も形成します。炭水化物、タンパク質、脂肪、それらはすべて分子です。これほど小さなスケールで起こっているので、そうは見えないかもしれませんが、これらの分子は常に動いています。完全に静止することはありません。
私たちの周りのすべての物質がどれだけ動くかは、その物質の温度に依存します。温度が低いほど、動きが少なくなります。熱、つまり温度が高いほど、移動するためのエネルギーが得られます。
動く分子にはエネルギーが含まれています。このエネルギーを運動エネルギーと呼びます。温度が低いほど、これらの分子の運動エネルギーは低くなります。
絶対零度移動
分子がまったく動かない状況が 1 つあります。可能な限り低い温度、つまり絶対零度です。ただし、この絶対零度は -273°C (-459°F) であるため、食品の場合、これはまったく関係ありません。
運動エネルギーの伝達
分子は互いに運動エネルギーを伝達します。非常に高温の分子と非常に低温の分子を同じ部屋に配置すると、時間の経過とともに同じ温度になります (理想的なシステムを想定)。これは、分子同士がぶつかり合い続けているためです。ある分子が別の分子 (冷たい分子) よりもはるかに多くのエネルギーを持っている場合 (別名、熱い分子) は、その追加エネルギーの一部を低エネルギー分子に転送します。十分な衝突の後、すべての分子はほぼ同じ速度で移動するため、同じ温度になります!
状態
分子は可能な限り低い温度を超えると常に移動しますが、自由に移動できるわけではありません。それらがどれだけ自由に動くことができるかは、それらの分子の物質の状態に依存します.物質には、固体、液体、気体の 3 つの主な状態*があります。
ソリッド
固体では、分子は動きますが、分子はその場所で動きます。前後に振動したり、震えたりするかもしれませんが、動かないままです。これらの分子は、スポットから離れるのに十分なエネルギーを持っていません。砂糖の結晶は固体です。砂糖の山を作ると、その場所にとどまります。クリスタルはほとんどそのままです。
液体
次は、グラスに入った水のような液体です。液体では、分子はより多くのエネルギーを持っています。実際、彼らはその場を離れて液体の中を移動するのに十分なエネルギーを持っています.ただし、液体から完全に「飛び去る」ことはできず、液体内にとどまります。
液体のもう 1 つの例は、室温のオリーブ オイルです。オリーブオイルを注ぐとボトルから溢れ出しますが、すべて流れ落ちて重力に引っ張られて水たまりになってしまいます。どれも宙に浮きません。
ガス
気体分子はさらに自由度が増します。分子は、仲間の分子によって拘束されなくなります。代わりに、ガス分子は、境界に到達するまで、好きなだけ移動できます。これらの境界は液体または固体によって形成され、気体を閉じ込めます。分子が気体になるためには、自由に移動するためにより多くのエネルギーが必要です.
フェーズの変化
物質の状態は、互いに簡単に移行できます。このプロセスは温度によって支配されます。固体は加熱することで液体に変化します。バターを溶かすとこうなります。液体は再び加熱することで気体に変化することができます。水を沸騰させて加熱し続けると、時間の経過とともにすべての水が蒸発します。
逆もまた然り。気体を冷却すると液体になり、さらに冷却すると固体になります。
相転移温度
これらの相転移が起こる温度は、分子または分子混合物ごとに異なります。水の氷は 0°C (32°F) で溶けますが、そのバターは熱い鍋に入れないと溶けません。これらの温度は、分子がどのように相互作用するか、分子が互いに保持する方法、および互いに引き付ける (または反発する) 方法によって異なります。
互いに引き付け合わない小さな球状の分子は、大きなかさばる分子よりも簡単に気体になります。自由に浮遊するのに必要なエネルギーは少なくなります。このような小分子の例は、水素 (H2 ）。水素は常温で気体です。一方、糖分子ははるかに大きく、他の糖分子と構造を形成します.そのため、室温で固体です。
相転移が起こる温度を知ることは、食品を準備するときに無意識に使用するものです.水を沸騰させ（これは基本的に、蒸発し始めていることを意味します）、氷を凍らせたり、バターを溶かしたりします。この相転移を引き起こすために何をすべきかを直感的に知っています。
相転移エネルギー
相の変換には、分子を加熱するだけでなく、多くのエネルギーが必要です。水を 99 から 100°C まで摂氏 1 度だけ加熱するには、水 1 kg あたり約 2kJ が必要です。しかし、その沸騰したお湯を蒸気に変えるには、水 1 kg あたり 2000kJ 以上かかります!
固体から液体へ、または液体から気体への移行には、常に多くのエネルギーが必要です。その逆もまた真です。気体から液体へ、または液体から固体への移行により、エネルギーが放出されます。
食品の相転移
食べ物は相転移だらけ！いくつか例を挙げると:
- カエデの樹液を沸騰させてメープル シロップにする:液体 -> 気体
- アイスクリームを作る:液体 –> 固体
- クルミの焙煎:液体 -> 気体 (水分を蒸発させている!)
- オーブンでパイ生地にラードを溶かす:固体 -> 液体
- 冷蔵庫でのピーナッツ バターの保存:液体 –> 固体
*物質の 4 番目の状態は、物理学者に関連するプラズマですが、ブドウを電子レンジで加熱しない限り、食品で発生することはほとんどありません…
参考文献
エンジニアリング ツールボックス、水蒸気 – 比熱、リンク
エンジニアリング ツールボックス、水 – 蒸発熱、リンク
