Naturwissenschaftliche Grundlagen
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26.11.2004 16:12 Uhr Seite 17 Naturwissenschaftliche Grundlagen Die ernährungswirtschaftlichen Berufe stehen mit ihrem Tätigkeitsfeld, dem Verarbeiten von Lebensmitteln, zwischen der Lebensmittelerzeugung und dem Verzehr. Erzeugung Verarbeitung Verzehr Agrarwissenschaften Technologie Medizin Chemie Physik Biologie Erzeugung Anbau von Pflanzen, Aufzucht und Mast von Tieren Verarbeitung Zubereitung von Speisen durch Kochen, Braten, Backen usw. Verzehr In diesen Bereichen wird Althergebrachtes durch die Wissenschaft erfasst und bestätigt, aber auch durch neue Erkenntnisse verdrängt. Moderne Fertigungsmethoden gründen auf wissenschaftlichen Erkenntnissen. Diese beruhen auf der Erforschung grundlegender Vorgänge. Die Agrarwissenschaften liefern die Grundlagen für optimale Anbau- und Aufzuchtmethoden. Fertigungsabläufe werden durch die Technologie erklärt. Die Wirkung der Inhaltsstoffe der Nahrung auf den Körper des Menschen erforscht und lehrt die Medizin. Wichtige Erkenntnisse dieser Wissenschaften sind hier mit beruflichem Bezug als naturwissenschaftliche Grundlagen dargestellt. Naturwissenschaftliche Grundlagen Chemie ist die Wissenschaft von der Zusammensetzung und Umwandlung der Stoffe. Physik ist die Lehre von den Zuständen der Stoffe und ihren Veränderungen. Biologie befasst sich mit dem Lebendigen, den Tieren und den Pflanzen. Dass es Gebiete gibt, die mehreren Wissenschaftsgebieten zuzuordnen sind, zeigt die Tatsache, dass man z. B. von biochemischen Vorgängen spricht. Beispiele für das Zusammenwirken der Wissenschaften: Physik: Biologie Zucht, Mast Qualität Biologie Arten Anbaumethoden Fleisch Schneiden von Fleisch Klopfen von Schnitzeln Chemie: Pökeln von Schinken Marinieren von Fleisch Biologie: Reifen und Verderben Physik: Rettich Raffeln, Schneiden „Weinen“ nach Salzen Chemie: Wirkung der Inhaltsstoffe Einführung Grund 017-029 Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 18 18 Naturwissenschaftliche Grundlagen chemical fundamentals la chimie de base Einführung 1 Chemische Grundlagen 1.1 Element – Verbindung Elemente sind Stoffe, die sich durch chemische Vorgänge nicht weiter teilen lassen. Der Einfachheit halber werden die Namen der Elemente abgekürzt. Die Grundlage für die Abkürzung bildet der wissenschaftliche Name, z. B. Sauerstoff Wasserstoff ➟ ➟ Atome Oxigenium Hydrogenium Atome ➟ ➟ O H Moleküle + Auf den Schalen bewegen sich die negativ geladenen Elektronen. Jedes einzelne Atom ist in der elektrischen Ladung ausgeglichen, weil die Summe der positiven und der negativen Teilchen gleich ist. Ionen Wenn Atome aus der Schale Elektronen abgeben oder in die Schale Elektronen aufnehmen, sind sie nicht mehr neutral. Man bezeichnet sie als Ionen (Abb. 3). ➟ Weniger Elektronen als ursprünglich ➟ positives Ion. ➟ Mehr Elektronen als ursprünglich ➟ negatives Ion. ➟ Kennzeichnung: hochgestelltes + oder – nach dem Symbol des betreffenden Elements, z. B. Na+, O – –. Abb. 1: Aus Elementen entstehen Verbindungen. Vereinigen sich mehrere Elemente, entsteht eine Verbindung, z. B. H2O. Verbindungen sind Stoffe mit neuen Eigenschaften. Wasser z. B. ist eine Verbindung aus zwei Elementen Wasserstoff und einem Element Sauerstoff. Zwischen unterschiedlich geladenen Ionen bestehen starke Anziehungskräfte, sie führen zur Ionenbindung. 1.2 Atom – Ion – Molekül Die kleinsten Teile eines Elements sind die Atome. Atome eines Elements sind untereinander gleich. Alle Atome bestehen aus einem Kern und den ihn auf sogenannten Schalen umkreisenden Elektronen. Der Kern besteht aus Protonen, die elektrisch positiv geladen sind, und Neutronen, die keine Ladung aufweisen (Abb. 2). Schale Abb. 2: Aufbau des Atoms Moleküle Moleküle sind zwei oder mehr untereinander verbundene Atome. Dabei kann es sich um Atome gleicher oder unterschiedlicher Elemente handeln (Abb. 4). Bau der Atome Atomkern Abb. 3: Ionenbildung Elektron Moleküle sind nach außen ohne Ladung, also neutral. H H O H + H O O = H H O H H Protron Abb. 4: Molekülbildung Neutron Beispiel Wasser: Aus zwei Molekülen Wasserstoff (H2) und einem Molekül Sauerstoff (O2) entstehen zwei Moleküle Wasser (H2O). 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 19 19 1 Chemische Grundlagen 1.3 Formeln, Sprache der Chemie Der Chemiker bezeichnet die einzelnen Elemente und Verbindungen mit Formeln, die über die Zusammensetzung des Stoffes genaue Auskunft geben. Formelart Die Summenformel nennt die Anzahl der von jedem Element enthaltenen Atome. Wasser H 2O Zuckerstoffe C6H12O6 Die Strukturformel ist aussagekräftiger, denn sie zeigt an, wie die Atome einander zugeordnet sind. H O H O H C H OH C OH Das grafische Symbol ist eine Vereinfachung, die uns das Denken und Verstehen erleichtert. Es ist meist an die Strukturformel angelehnt. H H O O NA+ Säure Salzsäure Schwefelsäure Ameisensäure Basen bestehen immer aus einer OH-Gruppe und einem Metall. Die OH-Gruppe bedingt die alkalische oder basische oder laugenhafte Wirkung, führt zu einem pH-Wert über 7, färbt rotes Lackmus blau. NaOH in Wasser gelöst ist die Natronlauge. Der Bäcker bezeichnet sie entsprechend der Verwendung als Brezenlauge. Beispiel Metall Na K Ca + + + + ➟ ➟ ➟ ➟ OH-Gruppe OH OH (OH)2 Lauge/Base Natronlauge Kalilauge Kalkwasser Dabei werden die Eigenschaften von Säure und Base neutralisiert. Die Zahl der H-Ionen und der OH-Ionen ist ausgeglichen. Beispiele: H ➟ ➟ ➟ ➟ Säurerest Cl SO4 COOH Salze entstehen durch die Reaktion von Säuren und Basen. O H H + + + + In Wasser gelöste Basen heißen Laugen. CH2OH C H H C OH OH C H Beispiel: Wasserstoff H H2 H Beispiel: HCI + Salz+ säure H O H H NaOH ➟ Natron- ➟ lauge NaCl Kochsalz + H2O + Wasser O H pH-Wert – Säurewert H Wasser lagert sich um Natrium-Ion Zwei Einfachzucker verbinden sich zu Zweifachzucker Abb. 1: Formelschreibweisen Der pH-Wert ist eine Messzahl. Sie zeigt an ob Säure oder Base vorhanden ist, wie stark die Säure oder Base ist. Indikatorpapier 1.4 Säuren – Basen – Salze Säuren bestehen immer aus Wasserstoff und einem Säurerest. Der Wasserstoff bewirkt die saure Reaktion, führt zu einem pH-Wert unter 7, färbt blaues Lackmus rot. Säure ➟ pH niedrig ➟ Lackmus rot Vergleichstafel 0 1 sauer 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 neutral basisch Abb. 2: Messung des pH-Wertes mit Indikatorpapier Indikatoren sind „Anzeiger“, die bei einem bestimmten pH-Wert die Farbe ändern. Am häufigsten wird Lackmus verwendet (Abb. 2). Einführung Grund 017-029 Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 20 20 Einführung Zu ck er Naturwissenschaftliche Grundlagen Moleküle Abb. 3: Zuckermoleküle zerfallen nicht. Das Gerät hat eine Sonde, die mit dem Lebensmittel in Verbindung gebracht wird. Über eine Leitung werden die Daten zum Gerät geführt und dort auf der Skala angezeigt. 1.5 Lösungen Die einzelnen Stoffe verhalten sich unterschiedlich, wenn sie mit Wasser in Verbindung kommen. Zur Erläuterung wählen wir aus dem Bereich der Lebensmittel Kochsalz, Gebrauchszucker (Rohr- oder Rübenzucker) sowie Gelatine, eine Eiweißart. Ionenlösung S N alz aC l Gibt man Kochsalz in Wasser, zerfällt das Salzkristall in die Ionen Na+ und Cl–. Um diese elektrisch geladenen Teilchen lagern sich Wassermoleküle an. Die Ionen verbinden sich erst wieder zu Kochsalz, wenn das Wasser verdampft (Abb. 2). g Stoff in 100 g Wasser Abb. 1: pH-Wert-Messgerät Ionenlösungen und Molekularlösungen bezeichnet man als echte Lösungen. Neben festen gelösten Stoffen wie Salz oder Zucker gibt es auch Lösungen von Flüssigkeiten in Flüssigkeiten, z. B. in Spirituosen, wo sich Alkohol in wässriger Lösung befindet, Lösungen von Gasen in Flüssigkeit, z. B. Kohlendioxid in Limonaden und Schaumwein. Die Menge des gelösten Stoffes in einem Lösungsmittel wird als Konzentration bezeichnet. Wie die Grafik zeigt, ist die Menge, die gelöst werden kann je nach Stoff unterschiedlich, von der Temperatur abhängig (Abb. 4). 500 400 ucker Rohrz 300 200 100 NaCl 0 0 50 100 Temperatur in C° Abb. 4: Unterschiedliche Löslichkeit Kann das Lösungsmittel nichts mehr von dem zu lösenden Stoff aufnehmen, so ist die Lösung gesättigt. Wird in dieser Situation noch mehr von der zu lösenden Substanz beigegeben, setzt sie sich am Boden ab, die Lösung ist übersättigt. Kolloidale Lösungen ClNa+ Cl- Na+ Na+ Cl- ClNa+ Ionen Abb. 2: Salz zerfällt in Ionen. Eiweiß bildet Riesenmoleküle, die um ein Vielfaches größer sind als z. B. die Zuckermoleküle. Riesenmoleküle bleiben auch in der Lösung als eine Einheit erhalten, doch sie lagern Wassermoleküle an. Man spricht von kolloidalen Lösungen (Abb. 5). Molekularlösungen Ein Molekül Gebrauchszucker besteht aus einem Teil Traubenzucker und einem Teil Fruchtzucker. Die Zuckermoleküle lagern sich zusammen und bilden ein Zuckerkristall. Bringt man Zucker in eine Flüssigkeit, löst sich zwar das Kristall auf, doch die Moleküle bleiben unverändert erhalten (Abb. 3). Sol kolloidale Lösung Abb. 5: Koagulation (Gerinnung) Gel Gallerte Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 21 21 1 Chemische Grundlagen aber für die viel größeren Eiweiß- oder Zuckermoleküle. Diese Zellwände werden deshalb als halbdurchlässige Membranen bezeichnet. Einführung Sol ist eine kolloidale Lösung, z. B. aufgelöste Gelatine, Eiklar. Gel, Gallerte ist geronnenes Eiweiß, z. B. gekochtes Ei, Aspik, Joghurt. Dieses Erstarren nennt man Gerinnen oder Koagulieren (Seite 20, Abb. 5). Ein Eiweiß-Sol kann durch Zugabe von Säure oder durch Erhitzen zum Gerinnen gebracht werden. 1.6 Emulsionen Fett schwimmt auf Wasser, weil es leichter ist als dieses (Abb. 1). Anders ist das bei Emulsionen. Emulsionen sind feinste Verteilungen einer Flüssigkeit (Fett) in einer anderen (Wasser) mit der sie sich üblicherweise nicht vermischt (Abb. 2). Diese bleibende Verteilung ermöglichen Emulgatoren oder Schutzstoffe, die die Oberflächenspannung und damit die „Abstoßungskraft“ der Moleküle herabsetzen. Abb. 3: Zellwand ist nur für Wasser durchlässig. Der Ausgleich unterschiedlicher Konzentrationen ist darum nur in einer Richtung möglich: Wassermoleküle wandern zum Ort der höheren Konzentration. Diesen Vorgang bezeichnet man als Osmose. Abb. 1: Fett auf Wasser Beispiele Durch die Haut nimmt die Kirsche Wasser auf, kann aber keine Zuckermoleküle abgeben. Durch die Quellung platzt letztlich die reife Kirsche. Abb. 2: Emulsion Bekannte Emulsionen Emulgator Milch: Fett in Wasser Sahne: Fett in Wasser Butter: Wasser in Fett Mayonnaise: Wasser in Fett Eiweiß der Milch Eiweiß der Milch Eiweiß der Milch Eigelb 1.7 Diffusion – Osmose Abb. 4: Die Kirsche zieht Wasser. Werden Früchte gezuckert, ist die Zuckerkonzentration außerhalb der Frucht höher als im Fruchtfleisch. Das Wasser wandert durch die Fruchtwand zum Zucker (Abb. 5). In einer Flüssigkeit sind die Moleküle in ständiger Bewegung. Je wärmer eine Flüssigkeit, desto stärker die Bewegung. Dabei stoßen die Teilchen wie Billardkugeln aneinander und verändern unkontrolliert ihre Richtung. So kommt es nach einer bestimmten Zeit zu einer selbstständigen Vermischung der Teilchen und es herrscht überall die gleiche Konzentration. Diesen Vorgang nennt man Diffusion (Abb. 3). Die Wände der tierischen und pflanzlichen Zellen hindern den freien Austausch der Teilchen, die Diffusion wird eingeschränkt. Die Zellwände enthalten jedoch feinste Poren, die nur für Wasser durchlässig sind, nicht Abb. 5: Der Zucker zieht Saft aus der Kirsche. Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 22 22 Naturwissenschaftliche Grundlagen Aufgaben Einführung 1 Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Atom und einer Verbindung. 2 „Jetzt habe ich soviel Salz in das Wasser gegeben, dass es sich nicht mehr auflöst.“ Erklären Sie den Zusammenhang. 3 Stimmt es, dass in heißem Wasser mehr Zucker aufgelöst werden kann als in kaltem? 4 Wenn man Radieschen einschneidet und dann in Wasser legt, erhält man dekorative „Blüten“. Erklären Sie den Vorgang. 5 „Die Osmose ist doch das Gleiche wie eine Diffusion,“ sagt der eine. Der andere meint: „Aber nur fast.“ Erklären Sie den Unterschied. 6 Wenn man Gurken in Scheiben schneidet und als Salat anmacht, schwimmen diese nach kurzer Zeit in Flüssigkeit. Kennen Sie den Grund? physical fundamentals la physique de base 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Hebelgesetz F2 L2 Der Hebel ist die einfachste Maschine. Wir wenden ihn in vielfältiger Weise an, ohne uns der Hebelgesetze bewusst zu werden. Deren Kenntnis kann aber sehr nützlich sein, denn Hebel helfen Kraft sparen. L2 F1 F2 F1 L1 L1 D Abb. 2: Zweiseitiger Hebel und einseitiger Hebel D Abb. 1: Hebelwirkung Das Beispiel (Abb. 1) zeigt eine Dose mit einem Klemmdeckel, der so fest sitzt, dass er mit der Hand nicht geöffnet werden kann. Nutzt man das Griffende eines Löffels als Hebel, ist es ein Leichtes, den Deckel abzuheben. An einem Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn Kraft · Kraftarm F1 · L1 = Last · Lastarm F 2 · L2 Drehmoment 1 = Drehmoment 2 2.2 Hebel als Werkzeuge Bei Scheren sind zwei Hebel verbunden; über den gemeinsamen Drehpunkt setzt die Kraft an (Abb. 3). Man unterscheidet zwei Arten von Hebeln. Beim zweiseitigen Hebel liegen Kraftarm und Lastarm auf zwei verschiedenen Seiten der Drehachse. Beim einseitigen Hebel liegt die Drehachse am Ende der Hebelstange. Abb. 3: Hebelwirkung bei einer Schere 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 23 23 2 Physikalische Grundlagen Die Schnittkraft ist „innen“ in der Schere am stärksten. Darum liegt bei der Geflügelschere auch der „Knochenschneider“ nahe am Drehpunkt. Die Flossenschere hat zusätzlich Zähne, damit die glitschigen Flossen nicht durch den Druck nach außen weggeschoben werden. Die Püreepresse, wie man sie z. B. zum Durchdrücken von gekochten Kartoffeln benutzt, ist um so leichter zu bedienen, je länger die Kraftarme sind. Man greift darum ganz außen an die Hebel. 1 1 1 2 1 2 Drehachse Abb. 3: Falsches und richtiges Tragen Abb. 1: Püreepresse Lasten werden aus den Knien aufgenommen. Dann ist die Belastung auf die Wirbel gering und gleichmäßig verteilt. Die „Arbeit“ leisten die Beinmuskeln (Abb. 4). Mit Flaschenöffnern arbeitet es sich am leichtesten, wenn man sie ganz außen fasst, denn durch den langen Hebel wird die Kraft am besten genutzt (Abb. 2). Abb. 4: Falsches und richtiges Heben Abb. 2: Flaschenöffner 2.4 Elektrizität 2.3 Tragen und Heben von Lasten Die wichtigste Energieart ist heute der elektrische Strom. Er lässt sich leichter als jede andere Energieart verteilen und dosieren, die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältiger. Wird eine Stromquelle über einen Leiter mit einem Verbraucher verbunden, entsteht ein Stromkreis (Abb. 5). Das Heben und Tragen ist nicht nur mühsam, es belastet auch die Wirbelsäule. Diese besteht aus fein gestalteten, nicht austauschbaren Wirbelkörpern, die zusammen eine leicht geschwungene S-Form bilden. Zwischen den Wirbelkörpern sind die Bandscheiben eingelagert. Dieses faserige Knorpelgewebe ermöglicht die Beweglichkeit der Wirbelsäule. Wer falsch hebt und trägt, wird auf die Dauer nicht ohne Bandscheibenschäden bleiben. Diese können von einfachen Schmerzen beim Aufrichten des Körpers bis zu Ischias und Lähmung reichen. Beim Tragen von Lasten soll der Körper gleichmäßig belastet werden, damit Spannungen in der Wirbelsäule vermieden werden. Darum ist die Last nach Möglichkeit auf beide Arme zu verteilen (Abb. 3). Stromquelle Verbraucher Leiter E-Werk Batterie Abb. 5: Stromkreis Einführung Grund 017-029 Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 24 Einführung 24 Naturwissenschaftliche Grundlagen Die Stromleitung muss dem Stromdurchfluss entsprechend gewählt werden. Fließt zu viel Strom durch eine Leitung, erwärmt sich diese, die Isolierung schmilzt und es kann zu einem Kurzschluss und zu einem Brand kommen. Sie wird gemessen bei mechanischer Arbeit als Ws und bei Wärmeerzeugung als Joule. Watt · 1 Sekunde = 1 Wattsekunde (Ws) v 1 Joule (J). Arbeit Leistung Sicherung Leitung Leitung 230 V • 4 A = 920 W 2h Abb. 1: Sicherung im Stromkreis Damit eine Stromleitung nicht überlastet werden kann, baut man Sicherungen in die Stromkreise ein. Bei Überlastung unterbrechen sie den Stromkreis (Abb. 1). Das schützt Leitung und Geräte. 2.5 Energie – Arbeit – Leistung Energie kann in verschiedener Form vorliegen: Kohle und Öl enthalten Wärmeenergie, Wasser in einem Speichersee kann mechanische Energie liefern. In den Kraftwerken wird daraus elektrische Energie erzeugt. Energie entsteht nicht neu, es kann nur eine Energieform in eine andere umgewandelt werden. Kraftwerk Öl, Kohle Wärmeenergie Elektrische Energie Wasserkraft Mechanische Energie Leistung • Zeit = Arbeit oder Wärme Abb. 3: Elektrische Arbeit Das Leistungsschild auf Geräten gibt über deren Leistungsfähigkeit Auskunft. In Abb. 3 z. B. 920 W. Weil die Einheit Wattsekunde sehr klein ist, misst der Zähler den Verbrauch in kWh, in Kilowatt je Stunde. Er misst also die „Arbeit“, die aus dem Stromnetz entnommen wird. Der Anschlusswert ist die höchstmögliche Stromaufnahme bei voller Leistung, z. B. wenn der Herd aufgeheizt wird. Der Verbrauchswert ist der tatsächliche Energieverbrauch, z. B. die Energie, welche der Heizplatte nach und nach zugeführt wird. Der Verbrauchswert ist immer geringer als der Anschlusswert. 2.6 Wärmelehre Verbraucher Wärmeenergie Elektoherd Elektrische Energie Mechanische Energie Küchenmaschine Abb. 2: Energietransport Die Wärme nimmt bei der Verarbeitung von Lebensmitteln eine wichtige Rolle ein: Alle Garverfahren, das Backen und mehrere Konservierungsverfahren stehen in engem Zusammenhang mit den Einflüssen der Wärme. Aber auch das Kühlen und Frosten, also der Entzug von Wärme, sind Gebiete der Wärmelehre. Die Einheit für die elektrische Leistung ist Watt (W). Volt · Ampere = Watt V · A = W Stromspannung · Stromstärke = Leistung Wird die Leistung in einer bestimmten Zeit erbracht, so spricht man von Arbeit. Aggregatzustände Führt man einer Flüssigkeit Wärme zu, so schwingen deren Moleküle schneller, bis sie aus der Flüssigkeit ausbrechen und in den gasförmigen Zustand übergehen. Bei der Abkühlung verhält es sich genau umgekehrt. Die langsamer werdenden Moleküle verdichten 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 25 25 2 Physikalische Grundlagen sich aus dem gasförmigen Zustand zur Flüssigkeit und werden bei weiterer Abkühlung fest. 0 °C Für Wasser ergibt sich bei normalem Luftdruck die folgende Übersicht. Aggregatzustand 100 °C 200 °C Rauchpunkt Schmelzbereich Molekülabstand Butter gasförmig Wasserdampf Kondensationspunkt Der Siedepunkt ist vom Druck abhängig. 100 °C flüssig Siedepunkt Abb. 2: Schmelzbereich und Rauchpunkt Erstarrungspunkt 0 °C Je höher der Außendruck ist, desto schwerer haben es die Wassermoleküle, als Gas zu entweichen, desto höher ist die Siedetemperatur des Wassers (Abb. 3). Es kann also heißer als 100 °C werden. Diese Temperaturerhöhung führt zu einer Verkürzung der Garzeit. fest Schmelzpunkt Wasser lässt sich unter normalem atmosphärischem Druck nicht über 100 °C erhitzen, die trotzdem weiter zugeführte Wärme führt zum Verdampfen des Wassers (Dampf = gasförmiges Wasser). Die Sublimation nutzt man beim Gefriertrocknen z. B. bei löslichem Kaffee, führt zu Gefrierbrand bei Lebensmitteln, die unver- packt gefrostet werden. Die Zustandsformen fest, flüssig und gasförmig nennt man die Aggregatzustände. Die Übergangstemperatur von einem Aggregatzustand in einen anderen ist für jeden Stoff typisch. Bei Wasser liegen diese Werte z. B. bei 0 °C und bei 100 °C. Fett ist ein Gemisch von unterschiedlichen Fettmolekülen. Da jede Art den ihr eigenen Schmelzpunkt hat, schmilzt oder erstarrt das Fett nicht bei einem bestimmten Temperaturpunkt, sondern innerhalb eines Temperaturbereiches. Man spricht darum vom Schmelzbereich und Erstarrungsbereich (Abb. 2). Der Siedepunkt wird auch als Rauchpunkt bezeichnet, weil sich das Fett in gasförmigem Zustand als Rauch zeigt. Dampfdruck Wasser kann aber auch unmittelbar vom festen in den gasförmigen Zustand übergehen, aus Eis wird dann sofort Wasserdampf. Das nennt man Sublimation. p bar Eis Abb. 1: Aggregatzustände 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 0 80 90 100 110 Siedetemperatur 120 130 t °C Abb. 3: Siedetemperatur ist vom Druck abhängig. Aus diesem Grund werden die Dampfdrucktöpfe auch Schnellkochtöpfe genannt. Ein weiteres Beispiel für die Anwendung einer erhöhten Siedetemperatur sind die Autoklaven, die in der Industrie zum Sterilisieren von Konserven verwendet werden. Wird Luft abgepumpt und somit der Luftdruck verringert, entsteht ein Vakuum. Das Wasser siedet bei geringerer Temperatur und gibt dabei Wasserdampf ab. Man nutzt dies z. B. beim Eindicken von Kondensmilch. Die niedrigere Siedetemperatur vermindert hierbei die Ausbildung des Kochgeschmacks. Destillieren Den unterschiedlichen Siedepunkt von Flüssigkeiten kann man nutzen, um diese voneinander zu trennen. Im Nahrungsgewerbe wird auf diese Weise z. B. Alkohol von Wasser getrennt. Einführung Grund 017-029 Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 26 Einführung 26 Naturwissenschaftliche Grundlagen Das Gemisch wird erhitzt. Bei etwa 80 °C beginnt der Alkohol zu sieden und verlässt als Dampf die Flüssigkeit. Wasser siedet erst bei 100 °C und bleibt deshalb bei dieser Temperatur zurück. Der Alkoholdampf wird aufgefangen und abgekühlt. Er kondensiert und tropft als flüssiger hochprozentiger Alkohol in die Auffangschale (Abb. 1). Thermometer Beim korrekten Garen müssen beide Faktoren richtig gewählt sein: Sowohl Temperatur als auch Wärmemenge müssen stimmen. Ist die Wärmemenge zu gering, sinkt die Temperatur ab, und es kommt zu Fehlprodukten. Kühlwasserablauf Kühler Kühlwasserzulauf Wasser bleibt zurück Es ist zu unterscheiden zwischen: Temperatur, das ist die mit dem Thermometer im Augenblick messbare Wärme und Wärmemenge, das ist die Energiemenge, die dem Lebensmittel zugeführt wird. Alkohol Temperaturmessung Den Wärmezustand oder die Temperatur eines Körpers misst man mit dem Thermometer. Abb. 1: Destillation Temperaturskalen Wärmemenge und Temperatur In einem großen Topf mit Wasser steckt eine Menge Wärme, obwohl die Temperatur vielleicht nur 60 °C beträgt. Wenn das Wasser in einem großen Topf erwärmt werden soll, benötigt man eine größere Wärmemenge als bei der Erwärmung einer geringeren Menge. Die Einheit für die Wärmemenge ist das Joule (J); wir werden beim Nährwert- oder Energiegehalt der Lebensmittel noch darüber sprechen. Beim Zubereiten von Fleisch liest man oft die Anweisung: „Von allen Seiten scharf anbraten, das Fleisch darf auf keinen Fall Flüssigkeit ziehen.“ Bei einer solchen Arbeitsanweisung werden Temperatur und erforderliche Wärmemenge nicht klar getrennt. Bei gleicher Temperatur ist die zugeführte Wärmemenge groß klein 80 °C 1 l 80 °C 10 l Celsius setzte auf der Temperaturskala den Schmelzpunkt von Eis mit 0 °C und den Siedepunkt des Wassers mit 100 °C fest. Temperaturen unter 0 °C werden als Minusgrade bezeichnet, z. B. –18 °C. Da die Temperatur auf der Bewegung der Moleküle beruht, ist dann die tiefste Temperatur erreicht, wenn die Moleküle völlig ruhen. Das ist der absolute Nullpunkt, kälter kann es nicht werden. Nach Kelvin beginnt die Temperaturskala bei 0 K. Der Schmelzpunkt des Wassers liegt bei 273 K. Der Abstand auf der Skala ist für beide Systeme gleich. 1 K v 1 °C. Einen Vergleich zeigt die Temperaturskala. 0K Kelvin 273 K 373 K -273 °C Celsius 0 °C 100 °C Abb. 3: Temperaturskala in K und °C Thermometer In gleicher Zeit ist die zugeführte Wärmemenge klein 40 °C in 5 min groß 80 °C in 5 min Abb. 2: Wärmemenge und Wärmezustand Zur Messung von Temperaturen benutzt man Thermometer. Diese zeigen über die Wärmeausdehnung den Wärmezustand an. Nach der Bauart unterscheidet man Flüssigkeitsthermometer und Bimetallthermometer. Flüssigkeitsthermometer enthalten Quecksilber oder Alkohol. Diese dehnen sich bei Erwärmung in ein luftleeres Rohr hinein aus. Auf der Skala ist die Temperatur abzulesen. Quecksilber erstarrt bei minus 40 °C. Bei Minusgraden verwendet man darum statt Quecksilberthermometer solche mit Alkoholfüllung, die meist blau oder rot eingefärbt ist. Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 27 27 2 Physikalische Grundlagen Prinzip 30 20 10 0 °C 10 Ein Temperaturfühler meldet dem Thermostat, wie die Temperatur ist ➟ Istwert. Im Thermostat werden die beiden Informationen verknüpft. Weicht der Ist-Wert, die tatsächliche Temperatur, vom Soll-Wert, der vorgewählten Temperatur, ab, wird durch den Thermostat entsprechend geschaltet (Abb. 2). 20 30 Bimetall-Spirale 40 Abb. 1: Bimetall-Thermometer Beim Bimetallthermometer sind zwei Streifen unterschiedlicher Metalle fest miteinander verbunden. Bei Temperaturänderung dehnen sich die Metalle unterschiedlich aus und die Streifen verbiegen sich. Diese Durchbiegung wird auf einen Zeiger übertragen, die Temperatur ist an der Skala ablesbar (Abb. 1). Die Kühlmaschinen von Kühlschränken und Frostern arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die Wärmepumpen, die Wärme ins Haus bringen. Bei den kühlenden Maschinen wird die Wärme aus dem „Kühlraum“ herausgezogen, die Wärmepumpe schafft umgekehrt Wärme in den Raum. Die Voraussetzungen dazu beruhen auf physikalischen Gesetzen. Werden Flüssigkeiten oder Gase zusammengepresst, entsteht Wärme. Beim Aufpumpen des Fahrrades hat dies jeder schon einmal festgestellt. Umgekehrt wirkt eine verdampfende Flüssigkeit kühlend. Temperaturregelung Temperaturregler oder Thermostate finden wir z. B. im Fettbackgerät, im Kühlschrank, im Froster, bei elektrischen Automatik-Kochplatten und zur Regelung der Zimmertemperatur. Die Regler haben die Aufgabe, eine bestimmte vorgewählte Temperatur möglichst genau zu halten. Sollwert Regelung durch Thermostat aus Kühlmaschine – Wärmepumpe ein Heizung Kühlung Abb. 2: Regelung durch Thermostat 5 °C Istwert Die Technik fasst Verdichten = Wärmeabgabe und Verdampfen = Wärmeaufnahme zu einem Kreislauf zusammen. Im Röhrensystem befindet sich ein Arbeitsmittel, das bereits bei sehr niedriger Temperatur verdampft. Kühlschrank: Das gasförmige Arbeitsmittel wird komprimiert, die dabei entstehende Wärme leitet man außen am Kühlschrank ab. Durch diese Temperaturherabsetzung verflüssigt sich das zusammengepresste Arbeitsmittel (Aggregatwechsel). In Rohrschlangen in dem zu kühlenden Raum wird der Druck über ein (regelbares) Ventil wieder herabgesetzt, das Arbeitsmittel verdampft dadurch (erneuter Aggregatwechsel) und entzieht dabei, wie gewünscht, der Umgebung Wärme. Anschließend gelangt das gasförmige Arbeitsmittel wieder in den Kompressor, der Kreislauf ist geschlossen (siehe Abb. 1 auf folgender Seite). Bei der „Kälteerzeugung“ zum Kühlen und Frosten wird also die Wärme den zu kühlenden Räumen entzogen und an die Luft abgegeben. Die „Wärmepumpen“ holen die Wärme aus der Luft oder aus dem Grundwasser und pumpen sie in das Haus, wo sie als Heizung genutzt wird. Das Prinzip ist das Gleiche, nur wird jeweils die Technik mit anderem Ziel eingesetzt. Einführung Die Temperatur wird vorgewählt wie sie sein soll ➟ Sollwert. 40 Grund 017-029 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 28 Einführung 28 Naturwissenschaftliche Grundlagen Verdichter Verdampfer Wärmeaufnahme im Kühlschrank Wärmeabgabe an den Raum Abb. 1: Prinzip eines Kühlschrankes Aufgaben 11 Andere Berufe haben auch Merksätze. Schlosser lernen: „Unglaublich ist des Schlossers Kraft, wenn er sich Verlängrung schafft“. Erklären Sie im Zusammenhang mit dem Hebelgesetz. 12 „Der Neue ist noch schwach. Erkläre ihm, wie er die gekochten Kartoffeln leichter durch die Presse bringt“, sagt Ihr Ausbilder. Was werden Sie dem Neuen sagen? 13 Nennen Sie zwei Regeln, wie bei der Arbeit die Belastung der Bandscheiben vermindert werden kann. 14 Erfahrenes Servicepersonal trägt ein volles Tablett nahe am Körper. Welchen Grund haben diese Personen? 15 Eine Leitung mit 230 V ist mit 10 Ampere abgesichert. Können drei Tauchsieder mit je 900 Watt eingeschaltet werden? 16 „Wer tiefgekühlte Hähnchen annimmt, muss genau darauf achten, dass die Verpackung nicht verletzt ist.“ Erklären Sie diese Anweisung im Zusammenhang mit den Aggregatzuständen. 17 Warum haben Fette einen Schmelzbereich und nicht einen Schmelzpunkt? 18 Warum wird der Dampfdrucktopf auch Schnellkochtopf genannt? 19 „Wir erhitzen unsere Konserven in Autoklaven.“ Erklären Sie, was der Betrieb mit den Konserven macht. 10 Wie wird aus Wein mit etwa 10% Alkohol ein Weinbrand? 11 „Die meisten Rezeptschreiber blicken nicht durch. Sie schreiben bei großer Hitze anbraten und meinen: Es muss eine genügende Wärmemenge vorhanden sein.“ Erklären Sie diese Aussage im Zusammenhang mit dem Anbraten von 2 kg Gulaschfleisch auf einem Haushaltsherd. 12 „Ein Kühlschrank schaltet in bestimmten Zeitabständen ein und aus. Erklären Sie diesen Ablauf.“ So lautete eine Prüfungsfrage. Wie wäre Ihre Antwort? 26.11.2004 16:12 Uhr Seite 29 29 3 Biologische Grundlagen biological fundamentals la biologie de base 3 Biologische Grundlagen 3.1 Zelle – Gewebe 3.2 Fotosynthese Hauptbestandteile der Zelle sind Die Energie auf der Erde entstammt überwiegend der Sonne. Die Blätter der Pflanzen sind „Solarzellen“, mit denen ein Teil dieser Energie aufgefangen wird. Mit Hilfe dieser Energie entsteht aus dem Wasser des Bodens und dem Kohlendioxid der Luft Einfachzucker. Sauerstoff wird dabei an die Luft abgegeben (Abb. 3). Zellkern, mit den gespeicherten Erbinformationen, Zellplasma oder Zellsaft, worin die Nährstoffe wie Zucker, Stärke oder Öl eingelagert sind, Zellwand, die die ganze Zelle umfasst. Bei der Zellwand bestehen zwischen der pflanzlichen und der tierischen Zelle Unterschiede. Sonnenwärme Stärkekorn Sauerstoff O2 Zellsaft Zucker C6H12O6 Zellkern H2O Wasser Kohlendioxid CO2 Zellwand Abb. 3: Fotosynthese Abb. 1: Pflanzliche Zelle Während die tierische nur von einem dünnen Eiweißhäutchen umgeben ist (Abb. 2), besitzen pflanzliche Zellen feste, manchmal auch „holzige“ Wände (Abb. 1). Viele Zellen sind zu einem Gewebe oder Zellverband vereinigt. Diese sind bei den Tieren stärker spezialisiert als bei den Pflanzen. Das macht sich bei den Vorbereitungsarbeiten in der Küche bemerkbar. So kann bei den Tieren das Stützgewebe = Knochen verhältnismäßig leicht vom Muskelgewebe getrennt werden. Bei Pflanzen sind die härteren, faserigen oder holzigen Stützbestandteile nicht so einfach von den übrigen Geweben zu trennen. Die Strahlungsenergie der Sonne wird auf diese Weise in den Blättern der Pflanze zu chemischer Energie. Bei der Verdauung wird diese Energie wieder frei und als Wärme (Körperwärme) oder mechanische Energie (Kraft) genutzt. Den Aufbau organischer Stoffe wie Zucker oder Fett aus anorganischen Stoffen nennt man Assimilation (Angleichung an das Lebendige). Dissimilation ist der Abbau der organischen Nährstoffe zu anorganischer Substanz (Abb. 4). Assimilation Dissimilation Zellhaut Zellsaft Sonnenwärme Organische Stoffe Tier Anorganische Stoffe Zellkern Abb. 2: Tierische Zelle Abb. 4: Stoffkreislauf Einführung Grund 017-029
