高压锅与物理计算

高压锅与物理计算

丁炳云

液体的沸点随表面气压的升高而升高。人们根据这一原理制造了高压锅。下面以24厘米高压锅为例，说明和高压锅有关的各种物理现象。

一、测得加压阀质量为96.5克，喷汽孔直径为3.5毫米。求加热时锅内汽压达到多大时喷汽孔才会喷汽，锅内液体沸点大约多少。

分析：用普通锅加热时锅盖内外压强基本相等，锅内汽压比大气压稍大一点锅盖就被顶开。使用高压锅时则不然，利用物理知识不难算出加压阀的附加压强p为

也就是说，锅内汽压接近2个大气压时加压阀才能被顶开而喷汽，此时锅内水的沸点约是120℃。

二、当高压锅开始喷汽时，锅盖受到内外的压力差是多大？

高压锅盖是曲面型的，用F=pS计算压力时不能把曲面的面积代入公式。根据数学分析可知，锅盖在竖直方向受到的压力和以24厘米为直径的圆面积受到的压力相等。大气压强对锅盖有向下的压强，蒸汽对锅盖有向上的压强，两个压强差和加压阀产生的压强相等，因此

F=pS=pπr2

=0.983×105帕×π(0.12米)2≈4445牛。

从计算可知，高压锅工作时蒸汽对锅盖的压力和450千克物体的重力相当，因此使用时必须十分小心！高压锅爆炸的威力不亚于一颗小型手榴弹！

三、高压锅保除阀门口的直径约3.5毫米，那么蒸汽对熔片的压力是多大？从保险的角度分析，保险熔片耐压、耐温应满足什么要求？

根据公式不难算出

F=pS=pπr2

=0.983×105帕×π×(1.75×10－3)2

≈0.95牛。

蒸汽对熔片的压力虽不大，但是压强可达2个大气压，内外压强差约为1个大气压，因此熔片耐压应约大于1个大气压，而不能大得太多。耐温应稍大于120℃。

四、为什么使用高压锅时不能把其他重物压在加压阀上？

高压锅内气体压强完全是由加压阀的重力控制的。为简单起见，设把一个96.5克的砝码压在加压阀上，那么加压阀对锅内蒸汽的压强可增为2个大气压，锅内气体的压强可达3个大气压，沸点可升至134℃，这样很易造成高压锅爆炸。所以要严禁这样做。

五、用高压锅烧好汤后，若突然拿下加压阀，锅内汽压突然降至1大气压，沸点降至100℃，大量的水会突然汽化而急剧沸腾，反而使锅内气压突然升高，极易引起爆炸或大量高温汽、汤喷出。因此这一方法要严禁使用。

怎样才能快速、安全地拿下锅盖呢？

方法一，把高压锅放在冷水中冷却。

因为水的比热很大，高压锅和冷水之间有较大的温度差，热量从锅传给冷水后锅的温度下降，但锅内下方多为液体，通过传导把热量传出后液体温度下降，密度增大，而锅内上方和下方不能形成对流，这种方法对减小锅内汽压的效果不太明显（需要较长时间）。

方法二，往锅盖上淋冷水。

由于锅内温度达120℃，外界大气压强为1大气压，水的沸点为100℃，冷水滴在锅盖上会立即汽化，而水在100℃的汽化热为539卡/克，因而迅速带走大量的热，使锅内气体温度下降，在锅内液化成水。相比之下，方法二要优越得多。