The Thermodynamics of Home-Made Ice

The Thermodynamics of Home-Made Ice Cream
Donald L. ~ibbon' and Keith Kennedy
Calgon Corporation, Box 1346, Pittsburgh, PA 15230
Nathan kading2
Stanford University, Palo Alto, CA
Mardsen Quieroz
Department of Mechanical Engineering, Brigham Young University, Provo, UT
Introduction: Why Ice Cream?
One of a free societys most serious problems is an ignorant
citizenry. Ignorance leads to poor decision-making
when the citizens are called on to make choices, whether
those choices are made at the ballot box or at the local
store. Intentional secrecy, the "What you don't know won't
hurt you-I know what's best for you" approach, received a
lot of publicity during the Iran-Contra affair. In matters
scientific, however, it is commonly not intentional secrecy
that is the problem. Citizens remain largely ignorant of the
technological workings that form the basis of their society
because of a widely held perception that "science is too
hard" to understand.
But much of fundamental science, well taught, is within
the grasp of most people. It can be done, as recent articles
on Jerl Walker's success in teaching physics at Cleveland
State University so eloquently testify. But teaching, to be
effective, has to be tailored to the particular group of students
being taught. If principles are taught abstractly,
most students of any age will simply not make the effort to
understand. But principles taught in a *amework of common
experience often become quite obvious. It's the context,
not the principle, that makes learning difficult.
Quite obviously, if citizens understand how things work,
what the principles are on which the devices of daily life
are based. then all sorts of benefits fall out. Unrealistic
hopes for miraculous "technological fures" fade, while innovation
becomes more likelv. Rates of obsolescence would eo
down, andequipment, both personal and public, would l&t
lower, because it would be used more effectively. Thus it is
cle&li in society's best interest to do a better jib of teaching
science to its citizens.
How best to go about implementing that fundamental
idea? One good ap~roach is to brim science closer to home,
in fact, bring it iiht into the kitchin! We propose here the
princide that eatine the results of the experiment is an
impoAant aid to derstanding the results! At least the
experiments are rarely complete failures that way.
Ice Cream as the Basis for a Chemistry Course
We suggest that making ice cream can be the basis of an
entire course in chemistry. Consider the principles on
which the process is based.
First of all, ice-cream making is fundamentally a matter
of controlling heat transfer. What's warm has to be made
cold. The mechanism that makes it all possible in a small
manually operated system is the process of depression of
freezing point in the system ice-water-salt. To begin to understand
what we just said in a fundamental way, one
must first consider all sorts of concepts:
Presented at the 1987 Annual Meeting of the American Association
for the Advancement of Science, Chicago, IL.
'Author to whom correspondence should be addressed.
'Undergraduate student.
temperature itself
the nature of heat and heat versus temperature
the nroeess of meltine
phase diagrams
the effects of dissolved solids on liquid freezing points.
Back of all these processes and definitions, the students
should be encouraged to ask, ''Why? Why? Why does this
happen?
As the ice cream "freezes", many other process are taking
place. Of course, the most obvious one is nucleation of ice
crystals in the ice cream mix. Successful ice cream making
requires maximum number and minimum size of ice crystals,
so that the ice cream is "smooth". These two criteria
require maximum rate of heat transfer. Why? What is the
role of stirring the mix? It not only raises the rate of heat
transfer. but also adds air to the mix. alterine - the entire
originalliquid-to-metal-to-liquid heat lransfer situation.
What is the final result of the orocess? The startine mix
does not become a solid.block of iee. What is it? It turns out
that the ice cream never fullv freezes: it remains about
loq liquid at its hardest. What part is liquid? What is the
difference between a iscous liquid and a did? Does that
difference matter? Why and where?
This listine is onlv a tinv fraction of the issues that can
be discussedYduring"the of making ice cream in the
classroom. And the interest certain to be aroused during
these discussions can be focused on a more formal "setting"
of those principles. Lab sessions can become the most interesting
part of the course. The end result of such a course
is students who are both motivated and knowledgeable
about the world they see on tidaily basis.
Experimental Setting: Getting There Is More Than Half
The Fun
The major experimental equipment has to be an ice
cream freezer and some method of measuring temperature.
We had access to a digital readout with inputs for
several thermocouples, but long thermometers would have
done the job. My ice cream freezer is an old hand-cranked
one. From vast experience, I know that it takes about 11
min to freeze a batch, if the ice-salt ratio is about right. We
drilled several holes in the side of the bucket and wiredlepoxied
in a thermocouple to monitor the brine temperature.
One of the most severe challenges, one not surmounted in
these experiments, is how to determine the temperature of
the mix inside the central tub while it is being stirred by
the paddles; some form of microtelemetry seems to be the
answer. However, we performed three major experiments
and talked about dozens of others.
Heat Capacity
We wanted to determine the heat capacity of the mix, to
see how much heat had to be removed from the mix to
freeze it. So we did an elementary calorimetry experiment.
We added ice to a salt-water mixture, stirred until it was
658 Journal of Chemical Education
Temp. (c;5] 10
Brine Temperature
-5
Mix Temperature
Elapsed Time (minutes)
Figure 1. Temperture equilibrium diagram for making marshmallowchocolate
chip ice cream.
quite cold (about -13 'C in one experiment), removed the
remaining ice to avoid complication of melting, measured
the temperature of a batch of ice cream mix, then put the
mix into the brine in a steel container. We wrapped the
brine bucket in towels to insulate it, and began stirring
both the brine and mix, all the while measuring the temperature
versus time in both containers. The plot of one
batch of data is shown as Figure 1. Let's look at that graph
and see what we can learn.
First, we had reached equilibrium between the two materials
in slightly over 11 min. The change in temperature
of the brine was from -10 'C to +2 'C
AtB=-10-(+2)=1 'C (1)
The change in temperature of the mix was from +20 'C to
+2 'C
AtM=ZO-2=lS .C (2)
We know the volume of the brine (VB) and the volume of
the mix (VM). We can weigh both the brine and the mix to
get their densities in gramsfliter
DB = weight of brine
v~
DM = weight of mix
v~
Heat capacity is measured in calories per degree per
gram and will he designated HB and HM. For the overall
heat transfer, we have
(Total heat last)rl = (Total heat gained,,
HBxAtBxVBxDg=HMxAtMxVMxDM (5)
He and HM are both unknown. One way to quantify the
experiment would be to run it brine-against-water, where
H,.* has the well-known value of 1 calPClg. That would
give us HB and then we wuld calculate HM . Now, knowing
HM , we can calculate how much heat has to be removed to
make ice cream.
First we'd have to make some. Determining the
ingredients' starting and final temperatures would allow
us to calculate AtM. Then, remember that question above
about the ice cream never being fully solid? Only part of it
actually freezes. We wuld make an assumption about its
actual ice content (for purposes of discussion, let's assume
70%), and assume that the heat of crystallization of that
part was approximately that of water.
The ice cream making urocess consists of molinn the mix
down to the freezing of water, then freezing whatever
part of it will actually become solid, then continuing tocool
160
PULSE
RATE
(Bmts/Smnd)
loo
80
Pulse Rate as a
Function of Time
C
024e.e.1012
Iar ndt, lll,h rn~dt,
MIXING TIME
(minutes)
Figure 2. Pulse rate of person cranking the freezer plotted against time.
the whole batch to its fmal temperature. Therefore, for 1 L
of ice cream mix, starting at +20 'C and ending at -10 'C,
we have the following:
(Total heat rern~ved)~ = HM x 20'C x 1 L x DM
To get through all of these calculations, the only thing we
would need, in addition to what we already know, is the
heat of crystallization of water.
Viscosity
We also wanted to monitor the rate of change of viscosity
during the freezing process, presuming that this was related
to the rate of nucleation and growth of ice crystals in
the mix. It was proposed that the pulse rate of the cranker
might be a direct function of viswsity, so we checked that
out. It is an experimental fad that the mix gets harder to
crank as it gets colder and harder. The cranker's pulse is a
way to calibrate or quantify that fad. The data from this
experiment are shown as Figure 2. Dozens of questions
come out of this: the nature of precision, how to fit curves
to data; what do we expect the relationship to be (straightline,
ever-increasing, etc.) and why; how to design experiments
to check on only one thing, ete.
A second way to check on the viscosity of the mix might
be with an inductive ammeter on the power cord of a motorized
freezer. These meters measure the current flow in
a single wire of a two-conductor pair by simply clamping
around the wire. As the resistance to flow (viscosity) of the
mix goes up, it takes more power to turn the motor. Power,
measured in watts, is equal to volts (a fixed value) multiplied
by amps (the current flow). As the viscosity goes up,
the power required goes up. We shouldn't do this for long
on small motors without overload protection (such as a
Waring Blendor) or we'll bum them out. However, ice
cream f

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

อุณหพลศาสตร์ของทำที่บ้านครีมโดนัลด์ L. ~ ibbon' และคีธเคนเนดี้บริษัท Calgon กล่อง 1346 ภาค พิตส์เบิร์ก PA 15230ธัน kading2มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ดัลลัส CAMardsen Quierozภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัย Brigham Young, Provo, UTบทนำ: ทำไมน้ำแข็งครีมเป็นปัญหาร้ายแรงที่สุด societys ฟรีคือการไม่รู้ที่มา ไม่รู้นำไปสู่การตัดสินใจที่ดีเมื่อประชาชนเรียกว่าเพื่อ ทำให้ตัวเลือก ว่าจะเลือกหีบ หรือท้องถิ่นจัดเก็บ ความลับตก ใน "สิ่งที่คุณไม่รู้ไม่ทำร้ายคุณ-ฉันรู้ว่าสิ่งที่ดีสุดสำหรับคุณ "วิธี การได้รับการจำนวนมากประชาสัมพันธ์ระหว่างเรื่องตรงกันข้ามอิหร่าน ในเรื่องวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม ไม่ทั่วไปความลับตกที่เป็นปัญหา ประชาชนยังคงใหญ่ซะงานเทคโนโลยีที่เป็นพื้นฐานของสังคมของพวกเขาเนื่องจากการรับรู้อย่างกว้างขวางจัดขึ้นที่ "วิทยาศาสตร์เกินไปยาก"จะเข้าใจแต่ของวิทยาศาสตร์พื้นฐาน สอนดี เป็นภายในความเข้าใจของคนส่วนใหญ่ มันสามารถทำได้ เป็นบทความล่าสุดJerl Walker สำเร็จในการเรียนการสอนฟิสิกส์ที่คลีฟแลนด์มหาวิทยาลัยนำสืบดังนั้น eloquently สอนแต่ เป็นมีประสิทธิภาพ เป็นกับเฉพาะกลุ่มนักเรียนการเรียนการสอน ถ้าสอนหลัก abstractlyนักเรียนส่วนใหญ่มีอายุเพียงแค่จะไม่ให้การพยายามที่จะเข้าใจ แต่หลักสอนในแบบ * amework ทั่วไปประสบการณ์มักจะเป็นค่อนข้างชัดเจน มันเป็นบริบทไม่หลัก ที่ทำให้เรียนรู้ยากค่อนข้างแน่นอน ถ้าประชาชนเข้าใจกลไกการทำงานหลักการที่เป็นที่อุปกรณ์ของชีวิตประจำวันงาน แล้ว ทุกประโยชน์ร่วง ไม่ความหวังสำหรับอัศจรรย์ "fures เทคโนโลยี" เลือนหาย ในขณะที่นวัตกรรมกลายเป็น likelv เพิ่มเติม ราคา obsolescence จะอีโอลง andequipment ส่วนบุคคล และ สาธารณะ จะ l & tลด เนื่องจากจะใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น จึงเกรดและ li ในดอกเบี้ยสุดของ jib ดีสอนทำวิทยาศาสตร์เพื่อประชาชนของวิธีที่ดีที่สุดไปเกี่ยวกับการใช้งานขั้นพื้นฐานที่ความคิด Ap หนึ่งดี ~ โรชจะ brim วิทยาศาสตร์ใกล้บ้านในความเป็นจริง นำ iiht ไป kitchin เรานำเสนอการprincide eatine ที่เป็นผลลัพธ์ของการทดลองการimpoAant ช่วยให้ derstanding ผล น้อยการทดลองล้มเหลวไม่ค่อยสมบูรณ์วิธีไอศกรีมเป็นพื้นฐานสำหรับหลักสูตรเคมีเราขอแนะนำว่า ทำไอศกรีมสามารถเป็นพื้นฐานของการหลักสูตรทั้งหมดในวิชาเคมี พิจารณาหลักการในซึ่งการจะขึ้นประการแรก ทำไอศกรีมเป็นภาระเรื่องถ่ายโอนความร้อนที่ควบคุม มีอะไรอบอุ่นมีการเย็น กลไกที่ทำให้ทั้งหมดในขนาดเล็กระบบดำเนินด้วยตนเองเป็นกระบวนการของภาวะซึมเศร้าของจุดเยือกแข็งในระบบน้ำแข็งน้ำเกลือ การเริ่มต้นทำความเข้าใจเราแค่พูดในแบบพื้นฐาน หนึ่งอันดับแรกต้องพิจารณาทุกแนวคิด:นำเสนอในการประชุมประจำปี 1987 ของสมาคมอเมริกันสำหรับความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์ ชิคาโก IL' ผู้เขียนควรได้รับการติดต่อ' นักเรียนทุนระดับปริญญาตรีอุณหภูมิตัวเองธรรมชาติของความร้อนและความร้อนกับอุณหภูมิnroeess ของ meltineเฟสไดอะแกรมผลของของแข็งที่ละลายในของเหลวถึงจุดเยือกแข็งจุดหลังกระบวนการเหล่านี้ทั้งหมด และนิยาม นักเรียนควรจะสนับสนุนการถาม, '' ทำไม ทำไม เหตุใดนี้อย่างไรเป็นไอศกรีม "ตอบสนอง" จะมีกระบวนการอื่น ๆ มากมายสถานที่ แน่นอน ชัดเจนสุดคือ nucleation iceผลึกในส่วนผสมไอศกรีม ทำไอศกรีมที่ประสบความสำเร็จกำหนดจำนวนและขนาดต่ำสุดของผลึกน้ำแข็งเพื่อให้ไอศกรีมจะ "เรียบ" เกณฑ์เหล่านี้สองต้องใช้อัตราสูงสุดของการถ่ายโอนความร้อน ทำไม สิ่งบทบาทของการกวนผสมหรือไม่ ไม่เพียงแต่เพิ่มอัตราของความร้อนการโอนย้าย แต่ยัง เพิ่มอากาศเข้ามาผสมผสานกัน alterine - ทั้งหมดoriginalliquid-จะโลหะการของเหลวความร้อน lransfer สถานการณ์ผลสุดท้ายของการ orocess คืออะไร ผสม startineกลายเป็น solid.block ของ iee นี่อะไรน่ะ ดังปรากฎว่าว่า ที่ไอศครีมไม่ fullv ตอบสนอง: ยังคงเกี่ยวกับของเหลว loq ที่ของที่ยากที่สุด ส่วนที่เป็นของเหลว สิ่งความแตกต่างระหว่างน้ำยา iscous และไม่ได้ ทำให้เรื่องความแตกต่าง ทำไม และที่Listine นี้เป็น onlv tinv เศษเสี้ยวของปัญหาที่สามารถมี discussedYduring "การทำน้ำแข็งครีมในห้องเรียน และดอกเบี้ยบางจะ aroused ระหว่างมุ่งเน้นในการสนทนาเหล่านี้เกี่ยวกับการ "ตั้ง" อย่างเป็นทางการมากขึ้นหลักการเหล่านั้น รอบเวลาห้องปฏิบัติสามารถทำงานได้ น่าสนใจส่วนหนึ่งของหลักสูตร ผลลัพธ์สุดท้ายของหลักสูตรดังกล่าวเป็นนักเรียนที่มีความรู้ และแรงจูงใจเกี่ยวกับโลก ที่พวกเขาเห็นใน tidailyตั้งค่าการทดลอง: เป็นมากกว่าครึ่งหนึ่งสนุกอุปกรณ์การทดลองที่สำคัญยังต้องชิมตู้แช่แข็งครีมและบางวิธีวัดอุณหภูมิเรามีถึง readout ดิจิตอลกับอินพุตในมีหลายทรานสมิตเตอร์ แต่ thermometers ยาวทำงาน ตู้แช่ไอศครีมของฉันเป็นมือเก่า-crankedหนึ่ง จากประสบการณ์มากมาย ฉันรู้ว่า มันใช้เวลาประมาณ 11นาทีเพื่อตรึงชุด ถ้าอัตราส่วนเกลือน้ำแข็งเกี่ยวกับสิทธิ เราเจาะหลุมหลายด้านของกลุ่มและ wiredlepoxiedใน thermocouple เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิน้ำเกลือความรุนแรงที่สุด หนึ่งไม่ surmounted ในอย่างใดอย่างหนึ่งทดลองเหล่านี้ วิธีการตรวจสอบอุณหภูมิของผสมภายในอ่างน้ำกลางในขณะที่มีการกวนด้วยpaddles รูปแบบของ microtelemetry น่าจะ เป็นคำตอบ อย่างไรก็ตาม เราทำการทดลองหลักสามและพูดคุยเกี่ยวกับจำนวนมากของผู้อื่นความจุความร้อนเราต้องการกำหนดความจุความร้อนของผสมดูมีความร้อนเท่าไรออกจากส่วนผสมที่แช่ ดังนั้น เราสามารถทำการทดลอง calorimetry ระดับประถมศึกษาเราเพิ่มน้ำแข็งผสมเกลือ กวนจนกว่าจะถูกสมุดรายวันการศึกษาเคมี 658 ชั่วคราว (c; 5] 10 อุณหภูมิของน้ำเกลือ-5อุณหภูมิผสมเวลาที่ใช้ (นาที)รูปที่ 1 แผนภาพสมดุล Temperture ทำ marshmallowchocolateชิพไอศกรีมค่อนข้างเย็น (ประมาณ -13 ' C ในการทดลองหนึ่ง), เอาการเหลือ น้ำแข็งเพื่อหลีกเลี่ยงภาวะแทรกซ้อนของการละลาย วัดอุณหภูมิของน้ำแข็งชุดครีมผสม แล้วทำการผสมในน้ำเกลือในภาชนะเหล็ก เราห่อตัวบรรจุกระป๋องถังในผ้าขนหนูช่วยได้ และเริ่มกวนน้ำเกลือและการผสม การวัดอุณหภูมิในขณะเมื่อเทียบกับเวลาในบรรจุ พล็อตของหนึ่งชุดข้อมูลจะแสดงเป็นรูปที่ 1 ลองดูกราฟที่และดูสิ่งที่เราสามารถเรียนรู้ครั้งแรก เราได้ถึงสมดุลระหว่างวัสดุสองในเล็กน้อยกว่า 11 นาที การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำเกลือได้จาก -10 ' C ถึง + 2 ' CAtB =-(+2)-10 = 1 ' C (1)การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของส่วนผสมได้จาก +20 ' C ถึง+ 2 ' CAtM = ZO-2 = lS C (2)เราทราบปริมาตรของน้ำเกลือ (VB) และปริมาตรของผสม (VM) เราสามารถชั่งน้ำหนักในน้ำเกลือและส่วนผสมที่ได้รับความหนาแน่นของพวกเขาใน gramsfliterDB =น้ำหนักของน้ำเกลือv ~DM =น้ำหนักของส่วนผสมv ~ความร้อนกำลังถูกวัดเป็นแคลอรี่ต่อปริญญาต่อกรัมและจะเขากำหนด HB และ HM สำหรับโดยรวมเรามีการถ่ายเทความร้อน(รวมความร้อนล่าสุด) rl = (ผลรวมความร้อนได้HBxAtBxVBxDg = HMxAtMxVMxDM (5)เขาและ HM ได้ทั้งที่ไม่รู้จัก เที่ยววัดปริมาณการการทดลองจะมีการ รันน้ำเกลือกับน้ำ ที่H, . * มีค่าชื่อเสียงของ 1 calPClg ที่จะให้ HB แล้ว เราจะคำนวณ HM ตอนนี้ รู้วันพ่อแห่งชาติ เราสามารถคำนวณได้ความร้อนเท่าไรออกไปทำไอศครีมก่อนอื่น เราจะต้องทำบางอย่าง กำหนดเริ่มต้น และสุดท้ายอุณหภูมิของส่วนผสมจะช่วยให้เราคำนวณตู้เอทีเอ็ม จำคำถามข้างต้นแล้วเกี่ยวกับครีมน้ำแข็งที่ไม่เคยถูกของแข็งทั้งหมด ส่วนของมันจริง ตอบสนอง เราจะทำให้มีสมมติฐานเกี่ยวกับความน้ำแข็งที่จริงเนื้อหา (สำหรับวัตถุประสงค์ของการสนทนา สมมติ70%), และสมมุติว่าความร้อนของการตกผลึกที่ส่วนหนึ่งเป็นประมาณที่ของน้ำไอศกรีมที่ทำ urocess ประกอบด้วย molinn ผสมลงไปแช่น้ำ จากนั้น แช่แข็งอะไรก็ตามส่วนหนึ่งของมันจะเป็นของแข็ง แล้วต่อ tocool160ชีพจรอัตรา(Bmts Smnd)loo80ชีพจรอัตราเป็นการฟังก์ชันของเวลาC024e.e.1012ผู้ Iar, lll, h rn ~ dtเวลาผสม(นาที)รูปที่ 2 อัตราชีพจรของ cranking แช่พล็อตกับเวลาชุดทั้งหมดที่อุณหภูมิ fmal ดังนั้น สำหรับ 1 Lของผสมไอศครีม ราคาเริ่มต้นที่ +20 ' C และสิ้นสุดที่ -10 ' Cเราได้ต่อไปนี้:(ความร้อนรวม rern ~ เว็ด) ~ = HM x 20' C x 1 L x DMจะได้รับทั้งหมดของการคำนวณเหล่านี้ สิ่งเดียวที่เราต้อง นอกจากที่เรารู้อยู่แล้ว การความร้อนของการตกผลึกของน้ำความหนืดเรายังต้องการตรวจสอบอัตราการเปลี่ยนแปลงของความหนืดในระหว่างกระบวนการตรึง presuming ที่นี้เกี่ยวข้องอัตรา nucleation และเจริญเติบโตของผลึกน้ำแข็งในผสม มันถูกนำเสนอที่อัตราชีพจรที่ crankerอาจจะเป็นหน้าที่โดยตรงของ viswsity เพื่อให้เราตรวจสอบที่ออก มันเป็นแฟชั่นการทดลองที่ผสมหนักได้รับการคลั่งสั่งเป็นหนาว และหนัก ชีพจรของ cranker เป็นการวิธี การปรับเทียบการกำหนดปริมาณที่บูรณะ ข้อมูลจากนี้การทดลองจะแสดงเป็นรูปที่ 2 หลายสิบคำถามมาจากนี้: ธรรมชาติของความแม่นยำ การโค้งพอดีข้อมูล สิ่งที่ทำเราคาดว่าความสัมพันธ์จะ (straightlineเคยเพิ่ม ฯลฯ) เหตุ วิธีการออกแบบการทดลองการตรวจสอบเพียงอย่างเดียว eteวิธีที่สองการตรวจสอบความหนืดของส่วนผสมอาจอยู่กับ ammeter การเหนี่ยวบนสายไฟของตัวเครื่องตู้แช่แข็ง เมตรเหล่านี้วัดกระแสในปัจจุบันสายเดียวของคู่สองนำโดยเพียงล็อครอบลวด เป็นความต้านทานการไหล (ความหนืด) ของการผสมไปค่า ใช้พลังงานมากกว่าการเปิดมอเตอร์ พลังงานวัดเป็นวัตต์ มีค่าเท่ากับโวลต์ (ค่าคงที่) คูณโดยแอมป์ (กระแสปัจจุบัน) เป็นความหนืดไปต้องใช้พลังงานไปค่า เราไม่ควรทำนานในมอเตอร์ขนาดเล็กไม่เกินพิกัดการป้องกัน (เช่นการWaring Blendor) หรือเราจะตูดออก อย่างไรก็ตาม น้ำแข็งครีม f

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

อุณหพลศาสตร์ของบ้านทำไอศกรีมโดนัลด์แอล ~ ibbon 'และคี ธ เคนเนดี Calgon คอร์ปอเรชั่นกล่อง 1346 พิตส์เบิร์ก, PA 15230 นาธาน kading2 Stanford University, พาโลอัลโตMardsen Quieroz ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล, มหาวิทยาลัยบริกแฮมยั่วยูทาห์บทนำ: ทำไมไอศกรีมหนึ่งในปัญหาร้ายแรงของสังคมฟรีมากที่สุดคือไม่รู้พลเมือง ไม่รู้จะนำไปสู่การตัดสินใจที่ไม่ดีเมื่อประชาชนจะเรียกร้องให้เลือกไม่ว่าจะเลือกที่จะทำในกล่องลงคะแนนหรือที่ท้องถิ่นจัดเก็บ ความลับเจตนาที่ "สิ่งที่คุณไม่ทราบว่าจะไม่ทำร้ายคุณฉันรู้ว่าสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับคุณ" วิธีการได้รับจำนวนมากของการประชาสัมพันธ์ในช่วงเรื่องอิหร่าน ในเรื่องทางวิทยาศาสตร์แต่มันเป็นความลับโดยเจตนาโดยทั่วไปไม่ว่าจะเป็นปัญหาที่เกิดขึ้น ประชาชนส่วนใหญ่ยังคงโง่เขลาของการทำงานทางเทคโนโลยีที่เป็นพื้นฐานของสังคมของพวกเขาเพราะการรับรู้ที่จัดขึ้นอย่างกว้างขวางว่า"วิทยาศาสตร์เกินไปยาก" ที่จะเข้าใจ. แต่มากของวิทยาศาสตร์พื้นฐานสอนกันอยู่ในความเข้าใจของคนส่วนใหญ่ ก็สามารถทำได้เช่นบทความที่ผ่านมาประสบความสำเร็จ Jerl วอล์คเกอร์ในการเรียนการสอนฟิสิกส์ที่คลีฟแลนด์มหาวิทยาลัยแห่งรัฐอย่างเลิศหรูเป็นพยาน แต่การเรียนการสอนเพื่อให้มีประสิทธิภาพจะต้องมีการปรับให้เหมาะสมกับกลุ่มเฉพาะของนักเรียนได้รับการสอน หากได้รับการสอนหลักการนามธรรม, นักเรียนส่วนใหญ่ในวัยใดก็จะไม่ทำให้ความพยายามที่จะเข้าใจ แต่หลักการสอนใน * amework ทั่วไปประสบการณ์มักจะกลายเป็นค่อนข้างชัดเจน มันเป็นบริบทไม่ได้หลักการที่ทำให้การเรียนรู้เรื่องยาก. ค่อนข้างแน่นอนถ้าประชาชนเข้าใจว่าสิ่งที่ทำงาน, สิ่งที่หลักการอยู่บนอุปกรณ์ของชีวิตประจำวันเป็นไปตาม แล้วทุกประเภทของผลประโยชน์ที่ตกออก ไม่สมจริงหวังปาฏิหาริย์ "เทคโนโลยี Fures" จางในขณะที่นวัตกรรมจะกลายเป็นlikelv มากขึ้น อัตราการเสื่อมสภาพจะ EO ลง andequipment ทั้งส่วนบุคคลและสาธารณะจะ l & T ที่ต่ำกว่าเพราะมันจะถูกนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นมันจึงเป็นCLE & li ในสังคมสนใจที่ดีที่สุดที่จะทำอัลบั้มที่ดีขึ้นของการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์เพื่อประชาชน. วิธีที่ดีที่สุดที่จะไปเกี่ยวกับการใช้ที่พื้นฐานความคิด? หนึ่ง AP ดี ~ แมลงสาบเป็นวิทยาศาสตร์ปีกใกล้บ้านในความเป็นจริงนำมาลงในiiht Kitchin ที่สุด! เรานำเสนอที่นี่princide eatine ว่าผลของการทดลองเป็นความช่วยเหลือที่จะimpoAant derstanding ผล! อย่างน้อยการทดลองมีความล้มเหลวไม่ค่อยสมบูรณ์วิธีการที่. ไอศครีมเป็นพื้นฐานสำหรับหลักสูตรเคมีเราขอแนะนำว่าการทำไอศครีมสามารถพื้นฐานของที่ทั้งหลักสูตรในวิชาเคมี หลักการพิจารณาในกระบวนการจะขึ้น. แรกของทุกการทำไอศครีมเป็นพื้นฐานเรื่องของการควบคุมการถ่ายเทความร้อน มีอะไรที่อบอุ่นจะต้องมีการทำเย็น กลไกที่ทำให้มันเป็นไปได้ทั้งหมดที่มีขนาดเล็กในระบบการดำเนินการด้วยตนเองเป็นกระบวนการของภาวะซึมเศร้าของจุดเยือกแข็งในระบบไอศน้ำเกลือ ในการเริ่มต้นที่จะเข้าใจในสิ่งที่เราพูดในทางพื้นฐานหนึ่งในครั้งแรกที่จะต้องพิจารณาทุกประเภทของแนวคิด: นำเสนอในปี 1987 การประชุมประจำปีของสมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์, Chicago, IL. 'ผู้เขียนซึ่งที่ควรได้รับการแก้ไข . 'นักศึกษาระดับปริญญาตรี. อุณหภูมิตัวเองธรรมชาติของความร้อนและความร้อนเมื่อเทียบกับอุณหภูมิnroeess ของ meltine เฟสไดอะแกรมผลกระทบของสารที่ละลายได้ในจุดที่แช่แข็งของเหลว. กลับของกระบวนการเหล่านี้ทั้งหมดและคำจำกัดความของนักเรียนควรได้รับการสนับสนุนที่จะถาม' 'ทำไม ? ทำไม? ทำไมเกิดขึ้นได้อย่างไรในฐานะที่เป็นไอศครีม"ค้าง" กระบวนการอื่น ๆ อีกมากมายมีการใช้สถานที่ แน่นอนหนึ่งที่เห็นได้ชัดที่สุดคือนิวเคลียสของน้ำแข็งเกล็ดในการผสมไอศครีม การทำไอศครีมที่ประสบความสำเร็จต้องมีจำนวนสูงสุดและขนาดต่ำสุดของผลึกน้ำแข็ง, เพื่อให้ไอศครีมคือ "เรียบ" ทั้งสองเกณฑ์ที่ต้องใช้อัตราสูงสุดของการถ่ายโอนความร้อน ทำไม? อะไรคือบทบาทของการกวนผสม? ซึ่งไม่เพียง แต่จะเพิ่มอัตราความร้อนถ่ายโอน แต่ยังเพิ่มอากาศในการผสม alterine - ทั้ง. ความร้อน originalliquid กับโลหะเพื่อของเหลวสถานการณ์ lransfer อะไรคือผลสุดท้ายของ orocess หรือไม่ ผสม startine ไม่ได้กลายเป็น solid.block ของ IEE มันคืออะไร? แต่กลับกลายเป็นว่าไอศครีมไม่เคยค้าง fullv: มันก็ยังคงเกี่ยวกับของเหลวLOQ ที่ยากที่สุดของ ส่วนสิ่งที่เป็นของเหลว? อะไรคือความแตกต่างระหว่าง iscous ของเหลวและไม่? ไม่ว่าความแตกต่างเรื่อง? ทำไมและที่ไหนlistine นี้เป็น onlv ส่วน TINV ของปัญหาที่สามารถจะdiscussedYduring "ของการทำไอศครีมในห้องเรียน. และที่น่าสนใจบางอย่างที่จะกระตุ้นในระหว่างการอภิปรายเหล่านี้สามารถที่จะมุ่งเน้นไปที่เป็นทางการมากขึ้น" การตั้งค่า "ของคนเหล่านั้น. หลักการประชุม Lab จะกลายเป็นที่น่าสนใจที่สุดส่วนหนึ่งของการเรียนการสอนผลลัพธ์ที่ได้จากหลักสูตรดังกล่าวให้. เป็นนักเรียนที่มีทั้งแรงบันดาลใจและมีความรู้เกี่ยวกับโลกที่พวกเขาเห็นบนพื้นฐาน tidaily. การตั้งค่าการทดลอง: การเดินทางมีมากกว่าครึ่งสนุกอุปกรณ์การทดลองที่สำคัญจะต้องมีน้ำแข็งแช่แข็งครีมและวิธีการบางส่วนของวัดอุณหภูมิ. เรามีการเข้าถึงการอ่านข้อมูลดิจิตอลที่มีปัจจัยที่ใช้สำหรับเทอร์โมหลายแต่เครื่องวัดอุณหภูมิยาวจะได้งานทำ. ตู้แช่ไอศครีมของฉันคือเก่ามือหมุนหนึ่ง. จากประสบการณ์มากมายฉันรู้ว่าจะใช้เวลาประมาณ 11 นาทีเพื่อตรึงชุดถ้าอัตราส่วนน้ำแข็งเกลือเป็นเรื่องเกี่ยวกับที่ถูกต้อง. เราเจาะหลุมในหลาย ๆ ด้านข้างของถังและ wiredlepoxied ในวัดเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิน้ำเกลือ. หนึ่ง ความท้าทายที่รุนแรงที่สุดอย่างใดอย่างหนึ่งไม่ได้กอปรในการทดลองเหล่านี้เป็นวิธีการตรวจสอบอุณหภูมิของการผสมภายในอ่างกลางในขณะที่มันจะถูกกวนโดยพาย; รูปแบบของการ microtelemetry บางส่วนน่าจะเป็นคำตอบ อย่างไรก็ตามเราดำเนินการทดลองที่สำคัญและพูดคุยเกี่ยวกับหลายสิบของผู้อื่น. ความจุความร้อนเราต้องการที่จะตรวจสอบความจุความร้อนของการผสมเพื่อดูว่าร้อนมากก็จะถูกลบออกจากการผสมที่จะหยุดมัน ดังนั้นเราจึงได้ทดลอง calorimetry ประถม. เราได้เพิ่มน้ำแข็งผสมเกลือน้ำกวนจนเป็น658 วารสารเคมีศึกษาชั่วคราว (ค 5] 10 น้ำเกลืออุณหภูมิ-5 ผสมอุณหภูมิเวลาที่ผ่านไป (นาที) รูปที่ 1 แผนภาพสมดุลอุณหภูมิสำหรับการทำ marshmallowchocolate. ไอศครีมชิปค่อนข้างเย็น (ประมาณ -13 'C ในการทดลอง) ออกน้ำแข็งที่เหลือที่จะหลีกเลี่ยงภาวะแทรกซ้อนของการละลายวัดอุณหภูมิของชุดของการผสมไอศครีมแล้วใส่ผสมลงไปในน้ำเกลือในภาชนะเหล็ก. เราห่อถังน้ำเกลือในผ้าขนหนูเพื่อป้องกันมันและเริ่มตื่นเต้นทั้งน้ำเกลือและผสมทั้งหมดในขณะที่วัดอุณหภูมิเมื่อเทียบกับเวลาในภาชนะทั้งสอง. พล็อตหนึ่งชุดของข้อมูลที่จะแสดงเป็นรูปที่1 ลองดูที่กราฟที่และดูสิ่งที่เราสามารถเรียนรู้. ครั้งแรกที่เราได้มาถึงความสมดุลระหว่างสองวัสดุในเล็กน้อยในช่วง 11 นาที การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำเกลือจาก-10 'C ถึง 2' C ATB = -10 - (+ 2) = 1 'C (1) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของการผสมมาจาก 20' C ถึง2 'C ATM = ZO-2 = LS และ C (2) เรารู้ว่าปริมาณของน้ำเกลือที่ (VB) และปริมาณของการผสม(VM). เราสามารถชั่งน้ำหนักทั้งน้ำเกลือและการผสมผสานที่จะได้รับความหนาแน่นของพวกเขาในgramsfliter DB = น้ำหนักของน้ำเกลือโว~ DM = น้ำหนักของการผสมโว~ ความจุความร้อนเป็นวัดในแคลอรี่ต่อการศึกษาระดับปริญญาต่อกรัมและเขาจะกำหนด HB และ HM สำหรับภาพรวมการถ่ายเทความร้อนที่เรามี(ความร้อนรวมที่ผ่านมา) RL = (ความร้อนรวมได้รับ ,, HBxAtBxVBxDg = HMxAtMxVMxDM (5) และเขา HM มีทั้งที่ไม่รู้จัก. วิธีหนึ่งที่จะปริมาณการทดลองจะมีการเรียกใช้น้ำเกลือ-กับน้ำที่เอช. * มีค่าที่รู้จักกันดีของ 1 calPClg. ที่จะให้เราHB แล้วเรา wuld คำนวณ HM. ตอนนี้รู้HM เราสามารถคำนวณความร้อนเท่าไหร่ที่จะต้องมีการออกไปทำไอศครีม. ครั้งแรกที่เรา 'd จะต้องทำบางอย่าง. กำหนดส่วนผสม' เริ่มต้นและอุณหภูมิสุดท้ายจะช่วยให้เราสามารถคำนวณ ATM. แล้วอย่าลืมคำถามที่ดังกล่าวข้างต้นเกี่ยวกับไอศครีมไม่เคยเป็นของแข็งอย่างเต็มที่? เพียงส่วนหนึ่งของมันจริงค้าง. เรา wuld ทำให้สมมติฐานเกี่ยวกับ ของเนื้อหาน้ำแข็งที่เกิดขึ้นจริง(สำหรับวัตถุประสงค์ของการสนทนาสมมติ70%) และคิดว่าความร้อนของการตกผลึกของว่าส่วนหนึ่งประมาณว่าน้ำ. ไอศครีมทำ urocess ประกอบด้วย molinn ผสมลงไปแช่แข็งของน้ำแล้วแช่แข็งสิ่งที่เป็นส่วนหนึ่งของมันจริงจะกลายเป็นของแข็งแล้วอย่างต่อเนื่อง tocool 160 PULSE อัตรา(BMTS / Smnd) ห้องน้ำ80 อัตราชีพจรเป็นฟังก์ชั่นของเวลาC 024e.e.1012 Iar NDT, lll, ชั่วโมง rn ~ dt, ผสมเวลา(นาที ) รูปที่ 2 อัตราชีพจรของสมาชิก cranking ช่องแช่แข็งพล็อตกับเวลา. ชุดทั้งอุณหภูมิของ fmal ดังนั้นสำหรับ 1 ลิตรผสมไอศครีม, เริ่มต้นที่ 20 'C และสิ้นสุดที่ -10' C, เรามีดังต่อไปนี้(rern ความร้อนทั้งหมด ved ~) ~ = HM x 20'C x 1 ลิตร x DM ที่จะได้รับ ผ่านทั้งหมดของการคำนวณเหล่านี้สิ่งเดียวที่เราจะต้องนอกเหนือไปจากสิ่งที่เรารู้อยู่แล้วว่าเป็นความร้อนของการตกผลึกของน้ำ. ความหนืดนอกจากนี้เรายังต้องการที่จะตรวจสอบอัตราการเปลี่ยนแปลงของความหนืดในระหว่างขั้นตอนการแช่แข็งทะนงว่านี่คือที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเกิดนิวเคลียสและการเจริญเติบโตของผลึกน้ำแข็งในการผสม มันได้รับการเสนอว่าอัตราการเต้นของชีพจรของ cranker อาจจะมีฟังก์ชั่นโดยตรงของ viswsity ดังนั้นเราจึงมีการตรวจสอบที่ออกมา มันเป็นแฟชั่นการทดลองที่ผสมที่ได้รับยากที่จะเหวี่ยงตามที่ได้รับหนาวเย็นและหนักขึ้น ชีพจรของ cranker เป็นวิธีการที่จะปรับหรือปริมาณแฟชั่นที่ ข้อมูลจากการทดลองจะแสดงเป็นรูปที่ 2 นับสิบคำถามจากนี้มาลักษณะของความแม่นยำวิธีเพื่อให้พอดีกับเส้นโค้งข้อมูล; ทำในสิ่งที่เราคาดหวังความสัมพันธ์ที่จะ (Straightline, เพิ่มมากขึ้น ฯลฯ ) และทำไม; วิธีการออกแบบการทดลองเพื่อตรวจสอบเพียงสิ่งหนึ่งที่เอเต้. วิธีที่สองเพื่อตรวจสอบความหนืดของการผสมอาจจะเป็นที่มีแอมป์มิเตอร์อุปนัยบนสายไฟของกลช่องแช่แข็ง เมตรเหล่านี้วัดการไหลของกระแสในสายเดียวของคู่สองตัวนำโดยเพียงแค่หนีบรอบลวด ในฐานะที่เป็นความต้านทานต่อการไหล (ความหนืด) ของผสมขึ้นไปจะต้องใช้พลังงานมากขึ้นที่จะเปิดมอเตอร์ พาวเวอร์, วัดในวัตต์เท่ากับโวลต์ (ค่าคงที่) คูณโดยแอมป์(การไหลของกระแส) ในฐานะที่มีความหนืดขึ้นไปพลังงานที่จำเป็นขึ้นไป เราไม่ควรทำเช่นนี้มานานมอเตอร์ขนาดเล็กโดยไม่มีการป้องกันการโอเวอร์โหลด (เช่น Waring Blendor) หรือเราจะก้นพวกเขาออก อย่างไรก็ตามไอศครีมฉ

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

พลศาสตร์ของไอศกรีม
Donald L . ~ ibbon ' และคีธ เคนเนดี้
Calgon Corporation , กล่อง 1346 Pittsburgh , PA 15230 เนธาน kading2

มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด , พาโลอัลโต , แคลิฟอร์เนีย quieroz

mardsen ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยบริกแฮมโพรโว , UT ,
บทนำ : ทำไมไอศกรีม
หนึ่งของปัญหาร้ายแรงที่สุดฟรี societys เป็นประชาชนไม่รู้

ความไม่รู้นำไปสู่การตัดสินใจ
ไม่ดีเมื่อประชาชนเรียกร้องให้เลือก ไม่ว่า
เลือกไว้ในหีบบัตร หรือที่ท้องถิ่นเก็บ

ด้วยความตั้งใจ , " สิ่งที่คุณไม่รู้ ไม่
เจ็บ you-i รู้ว่าอะไรดีที่สุดสำหรับคุณ " วิธีการได้รับ
เผยแพร่ในระหว่างอิหร่าน Contra ชู้ ในเรื่อง
ทางวิทยาศาสตร์ แต่ก็มักไม่เจตนา ความลับ
นั่นคือปัญหา ส่วนใหญ่ประชาชนยังคงโง่เขลาของ
เทคโนโลยีการทำงานที่เป็นพื้นฐานของสังคมของพวกเขา
เพราะเป็นอย่างกว้างขวางในการรับรู้ว่า " วิทยาศาสตร์ยากด้วย

" เข้าใจ แต่มากของวิทยาศาสตร์พื้นฐานก็สอนเป็นภายใน
เข้าใจของคนส่วนใหญ่ ทำได้ตามที่
บทความล่าสุดใน jerl วอล์กเกอร์ ความสำเร็จในการสอนฟิสิกส์ที่คลีฟแลนด์
มหาวิทยาลัยของรัฐเพื่อให้ฉะฉานเป็นพยาน แต่สอนให้
มีประสิทธิภาพ ต้องเหมาะกับเฉพาะกลุ่มของนักศึกษา
ถูกสอน ถ้าหลักการสอน abstractly ,
นักเรียนส่วนใหญ่อายุใดจะไม่เพียงแค่ทำให้ความพยายาม

เข้าใจ แต่หลักการสอนใน * amework ประสบการณ์ทั่วไป
มักจะกลายเป็นค่อนข้างชัดเจน มันเป็นบริบท
ไม่ใช่หลักการที่ทำให้เรียนยาก
ค่อนข้างชัด ถ้าประชาชนเข้าใจเรื่องงานยังไง
อะไรมีหลักการที่อุปกรณ์
ชีวิตประจําวัน ตาม จากนั้นทุกประเภทของผลประโยชน์ที่ตกออก สมจริง
ความหวังอัศจรรย์ " เทคโนโลยี fures " จางหายไป ในขณะที่นวัตกรรม
กลายเป็น likelv เพิ่มเติม ราคาของล้าสมัยจะออ
ลงอุปกรณ์ ทั้งส่วนบุคคลและสาธารณะ ผม& T
กว่าเพราะมันจะถูกใช้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น มันคือ
Cle & Li ในความสนใจที่ดีที่สุดของสังคมจะจิบดีกว่าการสอนวิทยาศาสตร์เพื่อประชาชน
.
วิธีที่ดีที่สุดเพื่อไปเกี่ยวกับการใช้ความคิดที่พื้นฐาน
? ดีหนึ่ง AP ~ แมลงสาบก็ปรี่วิทยาศาสตร์ใกล้บ้าน ,
ในความเป็นจริง เอา iiht เป็นคิตชิน ! เรานำเสนอที่นี่
princide ที่ eatine ผลการทดลองเป็น
impoaant ช่วย derstanding ผลลัพธ์ อย่างน้อย
การทดลองไม่ค่อยสมบูรณ์ความล้มเหลวแบบนั้น
ไอศกรีมเป็นพื้นฐานสำหรับวิชาเคมี
เราแนะนำให้ทำไอศครีมสามารถพื้นฐานของ
หลักสูตรทั้งหมดในวิชาเคมี พิจารณาหลักการ
ซึ่งกระบวนการพื้นฐาน .
ครั้งแรกของทั้งหมด ทำให้ไอศกรีมมีภาระเรื่อง
ของการควบคุมความร้อนการถ่ายโอนมันอบอุ่นก็ต้องทำ
เย็น กลไกที่ทำให้มันเป็นไปได้ทั้งหมดในขนาดเล็ก
ด้วยตนเองดำเนินการระบบเป็นกระบวนการของภาวะซึมเศร้าของ
จุดเยือกแข็งในระบบน้ำ น้ำแข็ง เกลือ ที่จะเริ่มเข้าใจ
อะไรที่เราพูดในทางพื้นฐานหนึ่ง
ต้องพิจารณาทุกประเภทของแนวคิด :
เสนอในการประชุมประจำปีของสมาคมอเมริกัน 1987
เพื่อความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์ชิคาโก , IL .
'author ที่จดหมายควรจะ addressed .
นักเรียน 'undergraduate เอง
.
อุณหภูมิธรรมชาติของความร้อนและความร้อนและอุณหภูมิ nroeess แผนภาพเฟส meltine

ผลของของแข็งละลายในน้ำแช่แข็งจุด .
กลับของกระบวนการเหล่านี้ทั้งหมด และความหมาย นักเรียน
ควรสนับสนุนถาม , " ? ทำไม ? ทำไม
เกิดขึ้น ?
เป็นไอศกรีม " ค้าง " กระบวนการหลาย ๆจด
ที่นี่เลย ของหลักสูตรหนึ่งที่เห็นได้ชัดที่สุดคือขนาดของผลึกน้ำแข็ง
ในไอศกรีมมิกซ์ ที่ประสบความสำเร็จการทำไอศครีม
ต้องมีจำนวนสูงสุด และขนาดของผลึกน้ำแข็ง
เพื่อให้ไอศกรีม " เรียบ " เหล่านี้สองเกณฑ์
ต้องการคะแนนสูงสุดของการถ่ายโอนความร้อน ทำไม ? อะไรคือบทบาทของการกวนผสม