V predchádzajúcom článku našej série sme si ukazovali, ako pripraviť delikátny lávový koláč: potrebné je vystriehnuť moment, keď ešte stred koláča neprejde z tekutého do tuhého skupenstva. Pozrime sa teraz na skupenstvá látok podrobnejšie.
Vo fyzike rozlišujeme tri základné skupenstvá hmoty: tuhé, kvapalné a plynné. Za štvrté skupenstvo sa zvyčajne považuje plazma. Tá nás však v našich pokusoch zaujímať nebude, keďže v kuchyni nepracujeme s takými teplotami a tlakmi, aby sme ju dosiahli.
Fázový diagram
Z molekulárneho pohľadu predstavuje skupenstvo látky usporiadanie atómov alebo molekúl. V tuhom skupenstve sú atómy viazané väzbami a sú pravidelne usporiadané. V kvapalnom skupenstve sa toto usporiadanie začína narúšať a atómy sa už pohybujú voľnejšie. V plynnom skupenstve je usporiadanie narušené a atómy sa pohybujú voľne.
To, v akom skupenstve sa nejaká látka nachádza, závisí od dvoch parametrov – teploty a tlaku. Tie môžeme naniesť na graf, pričom na osi x je zvyčajne teplota a na osi y tlak. Do tohto grafu môžeme následne vpísať stavy, v akých sa konkrétna látka pri danej teplote a tlaku nachádza. Získavame tak graf, ktorý sa nazýva fázový diagram. S fázovým diagramom vody sa pravdepodobne stretla už väčšina z nás na hodinách fyziky alebo chémie. Vidno na ňom, že voda nadobúda pri atmosférickom tlaku 1 atm tuhé skupenstvo (ľad) pri teplote pod 0 °C. Nad touto teplotou je to kvapalina a pri dosiahnutí 100 °C sa mení na plyn, teda paru.
Teplota a tlak
S meniacim sa tlakom sa posúva aj teplota, pri ktorej dochádza k zmene skupenstva. Na fázovom diagrame môžeme vidieť zvýraznené čiary, ktoré určujú zmenu skupenstva látky pre daný tlak a teplotu.
Keď znížime tlak, prestáva na látku pôsobiť taká silná vonkajšia sila a molekuly látky sa od seba dokážu pri konkrétnej teplote ľahšie dostať. Keď tlak zvýšime, na molekuly pôsobí väčšia sila a na zmenu skupenstva je potrebné dosiahnuť vyššiu teplotu. Ak ponecháme konštantný tlak, tak zvyšovaním teploty dosiahneme zvýšený pohyb molekúl. To postupne spôsobí rozbitie väzieb medzi molekulami a tie prechádzajú do iného skupenstva. Príkladom je stav, keď vo vyšších nadmorských výškach vrie voda pri nižšej teplote. Je to z dôvodu nižšieho tlaku, ktorý spôsobuje aj to, že sa nám ťažšie dýcha.
Pozrime sa na inú známu látku, etanol, pri konštantnom atmosférickom tlaku 1 atm. Tento alkohol sa nachádza v alkoholických produktoch. V porovnaní s vodou sa pri atmosférickom tlaku teplota jeho topenia rovná -114 °C. Vyparovanie etanolu nastáva už pri teplote 78 °C, čo sa využíva pri vypaľovaní likérov.
Zamrazovanie ingrediencií
Zmenu skupenstva môžeme pozorovať aj pri iných látkach, ktoré sa využívajú v kuchyni, napríklad pri tukoch. Na jednorozmernom fázovom diagrame olivového oleja by sme videli, že jeho teplota tuhnutia alebo topenia je -6 °C. V mrazničke si tak môžete pripraviť kocky olivového oleja, napríklad s čerstvými bylinkami.
Ďalej sa zvykne používať napríklad aj kokosový olej. Ten má teplotu topenia 24 °C, čo predstavuje normálnu izbovú teplotu. To znamená, že keď kokosový olej vložíte do chladničky, získate tuhú látku. To, prečo majú tuky rozdielnu teplotu topenia, si ukážeme v ďalšom článku, v ktorom sa detailnejšie pozrieme na to, čo sa deje z pohľadu molekúl pri zmene skupenstva.
Zaujímavé sú aj fázové diagramy ďalších dvoch látok, dusíka a oxidu uhličitého, ktoré poznáme ako plyny v atmosfére. V prípade dusíka je možné získať tekutý dusík, keď ho schladíme na teplotu približne -195 °C. Po jeho ešte väčšom schladení na teplotu pod -210 °C dokonca stuhne do tuhého stavu. Tekutý dusík má svoje využitie v medicíne alebo pri chladení rôznych detektorov. Našiel si ho však aj v gastronómii, napríklad pri rýchlej príprave zmrzliny.
Mgr. Patrik Čechvala
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
