Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

где S – площадь пиццы, ℓ – ее толщина, ρ_п – плотность и C_п – удельная теплоемкость. Предположим, что последняя равна теплоемкости дрожжевого теста, то есть C_п = 2800 Дж/(кг∙°C). После нескольких часов брожения тесто полно мелких пузырьков углекислого газа и имеет низкую плотность ρ_п = 800 кг/м³. Что же касается толщины, то официальные инструкции по производству римской пиццы рекомендуют, чтобы после выпечки она составляла 4 мм с допустимым отклонением 20 %. Учитывая потерю объема во время приготовления и 20 %-ное отклонение, примем ℓ = 0,005 м. Таким образом, из указанной формулы находим, что количество теплоты, необходимое для нагревания 1 см² пиццы, до начала кипения в ней воды составляет Q₁/S = 1 000 000 Дж/м², или 100 Дж/см². В расчетах мы пренебрегли начинкой (сыром, овощами), толщина которой неравномерна.

Сахара, крахмал и углеводы

Нашим прадедам был хорошо знаком крахмальный порошок белого цвета. Добавляя в него воду, получали особый клейстер, которым пропитывали воротнички. Высохнув, накрахмаленные воротники держали форму и придавали тем, кто их носил, элегантный и чопорный вид. Вспомните об этом, когда будете есть лапшу или рис, которые становятся клейкими, если их варить слишком долго: это тоже действие крахмала!

Молекулы, составляющие крахмал (полисахариды), можно рассматривать как соединение большого числа молекул глюкозы (моносахарид). Крахмал, как и другие сахара, состоит исключительно из углерода, кислорода и водорода. Так, формула сахара, который мы добавляем в кофе, – C₁₂H₂₂O₁₁, а глюкоза в меде состоит из молекул C₆H₁₂O₆. Фрукты содержат фруктозу, которая является изомером глюкозы (а потому имеет ту же формулу C₆H₁₂O₆). Формулы сахаров и крахмала можно записать в виде C_n(H₂O)_p, где n и p – целые числа. Вот почему эти вещества назвали «гидратами углерода». Впрочем, сегодня это выражение у химиков уже не в ходу: они предпочитают термин «углеводы».

Углеводы, которые для нас производят растения, являются основным источником энергии для организма. Эта энергия позволяет не только управлять мышцами, особенно сердцем, но и обеспечивает протекание всех остальных поддерживающих жизнь химических процессов. Простые сахара, такие как сахароза и глюкоза, усваиваются быстро, в то время как крахмал, сперва превращаясь в глюкозу с помощью содержащихся в слюне и в желудке ферментов, отдает энергию медленно.

Теперь оценим энергию, расходуемую на физико-химические реакции, возникающие во время приготовления. Некоторые химические реакции, называемые экзотермическими, энергию выделяют; другие, эндотермические, ее поглощают, однако и то и другое количество энергии незначительно по сравнению с количеством тепла Q₂, необходимым для испарения содержащейся в будущей пицце воды. Не располагая дровяной печью для пиццы, мы испекли в электрической духовке хлеб и обнаружили, что испарившаяся вода составляет примерно 10 % от первоначального веса. Предположим, что для пиццы процент испарения воды тот же, α = 10 % – следовательно, за время выпекания она теряет массу αρ_пℓS. На испарение чистой воды при нормальном давлении расходуется энергия W = 2 257 Дж/г, или 2 257 кДж/кг. Считая воду, содержащуюся в тесте и начинке, чистой, получаем:

Q₂/S = αWρ_пℓ = 225 × 800 × 0,005 = 900 кДж/м², или 90 Дж/см².