Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

В начале XX века итальянцы массово эмигрировали в США и другие страны, а с их расселением по миру повсеместную известность приобрела и пицца. Сегодня она уже не просто итальянское национальное блюдо – многие американцы считают, что пиццу придумали в их стране! Там существуют чикагская, нью-йоркская, калифорнийская и другие разновидности пиццы. Да и в Италии за пределами Неаполя пицца стала принимать самые разнообразные формы: например, от пышной неаполитанской пиццы с толстыми краями заметно отличается хрустящая и тонкая римская пицца. С процессом приготовления именно римской пиццы мы познакомились благодаря Антонио – пиццайоло одной из популярных среди римлян пиццерий вдали от туристических троп Вечного города.

Приготовление теста для пиццы

Антонио начинает готовить тесто для пиццы заранее, за несколько часов. Оно похоже на дрожжевое: тоже готовится из пшеничной муки, воды, дрожжей и оливкового масла (при желании можно добавить щепотку соли). Масса воды должна немного превышать половину массы муки, а дрожжей следует добавлять примерно 20 г на килограмм муки.

После того как тесто хорошо замешивается, пиццайоло оставляет его на несколько часов, и за это время тесто увеличивается в объеме. Что с ним при этом происходит? Под действием дрожжей происходит процесс брожения, аналогичный спиртовому брожению (см. главу 14, «Искусство виноделия»). При брожении теста происходят различные сложные процессы: микробиологические, физические и биохимические Пшеничная мука на 70 % состоит из крахмала (см. врезку «Сахара, крахмал и углеводы»), который дрожжи в процессе брожения разлагают. В тесте выделяется углекислый газ. Он образует мельчайшие пузырьки, которые остаются в тесте и тем самым заставляют его «подниматься».

Теперь, когда тесто можно выпекать, рассмотрим, как распространяется тепло в печи для пиццы и в самой пицце. Напомним, что существует три механизма теплопередачи (илл. 2):

• тепловое излучение: передача тепла осуществляется путем поглощения или испускания электромагнитного излучения (например, Солнце нагревает Землю благодаря излучению, см. главу 7, «Температура Земли»);

• конвекция: в жидкостях и газах она представляет собой направленное движение материи (например, тепло, излучаемое земной корой, распространяется в атмосфере воздушными потоками, см. главу 7, «Конвекционный нагрев атмосферы Земли»);

• теплопроводность: колеблющиеся атомы и электроны из горячих областей передают часть своей кинетической энергии в менее нагретые (например, желток погруженного в кипящую воду яйца затвердевает благодаря теплопроводности скорлупы, белка и своей собственной, см. главу 17, «Чем вареное яйцо отличается от сырого?»).

2. Три вида теплопередачи на примере стены с двойным остеклением. Слой воздуха между двумя стеклами препятствует теплообмену между воздухом снаружи и внутри

Каково же распределение ролей между теплопроводностью, излучением и конвекцией при приготовлении пиццы? При помощи несложных вычислений попробуем найти ответы на эти вопросы, вместо неизвестных величин используя приблизительные данные.

Сколько энергии требуется для приготовления пиццы?

В пиццерии, где Антонио выпекает свою пиццу, печь топится дровами, а ее рабочая поверхность выложена огнеупорным кирпичом. Температура в печи, по словам Антонио, достигает 325–330 °C.

Что же происходит с будущей пиццей при ее нагревании в печи? С одной стороны, ее температура повышается, а с другой – этот нагрев вызывает физические преобразования и химические реакции, которые придадут пицце текстуру, вкус и запах. Температура теста T₀ на выходе из холодильника – примерно 10 °C. Пиццайоло придает ему форму диска и добавляет начинку. В процессе выпекания пицца в своем объеме достигает некоторой температуры T₁. Представляется разумным оценить T₁ в 100 °C. Действительно, печь достаточно раскалена, для того чтобы быстро довести тесто до этой температуры, а содержащаяся в тесте вода, испаряясь, не позволяет ей подняться выше. В самом деле, известно, что при нормальном давлении вода находится в равновесии с паром при температуре 100 °C. Конечно, вода, содержащаяся в пицце, не является чистой (в частности, она содержит соль), но температура ее кипения отличается от 100 °C незначительно.

Количество теплоты, необходимое для нагревания пиццы от T₀ до T₁, составит:

Q₁ = ρ_пℓC_п (T₁ – T₀) S,