第3节 大气的压强（大气压应用—高压锅专题）

大气压应用—高压锅专题
高压锅理论知识
1、高压锅的原理
高压锅又叫压力锅，用它可将被蒸煮的食物加热到100℃以上，于1679年由法国物理学家帕斯卡发明。
高压锅属于压力容器，其利用橡胶圈将锅密封起来，使煮沸的水蒸气无法跑掉，形成高温高压，水能煮成108摄氏度，使食物迅速膨胀软化。高压锅内的压力不会无限地上升，高压锅的排气装置会在气压达到一定程度时把蒸汽排出，保证使用安全。
2.高压锅的构造
3.高压锅的特点
（1）
经久耐用、节省时间、节省能源
（2）受热均匀，传热快，不易糊底
（3）
充分溶解释放食物中的营养
（4）安全可靠
4.
高压锅的种类及特点
（1）压力锅从原材料上分，一般分为铝制的、铝合金的和不锈钢的三种。
√
铝制的重量轻、传热快、价格便宜，使用寿命可达20年以上。但是使用它无疑要增加铝元素的吸收量，长期使用它对健康不利。
√
铝合金的要比纯铝制品好一些，耐用、结实。
√
不锈钢压力锅贵，但耐热、美观，不易和食物中的酸、碱、盐起反应，且使用寿命最长，可达30年以上。
√
国家于1992年颁发铝压力锅国家标准，其代码为GB13623-92，于1994年颁发不锈钢压力锅国家标准，其代码为GB15066-94。市面上销售的高压锅都应按此标准生产。
（2）按使用能源划分可分为普通压力锅和电压力锅。
随着环境保护意识的增强，一些厂家开发了电压力锅，如容声系列电压力锅，使用方便、清洁。
5.
高压锅的使用时限
压力锅一般使用年限为8年，绝不能“超期服役”，超过8年不管坏没坏都不能再使用。
6.
高压锅气压与沸点对照表
7．高压锅注意事项
（1）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。
（2）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。
（3）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。
典型例题
例1.
高压锅的直径是24cm,限压阀直径为4mm，限压阀质量为64g，使用时，高压锅内外最大压强差是多大？锅内最大压强是多大？
【答案】(1)，pm=0.5×105Pa
(2)
,p内=1.5×105Pa
随堂练习
家庭常用的高压锅与普通锅主要不同之处在于它的密闭性好。（1)为了防止出气孔堵塞致使高压锅爆炸的危险，放气孔是它的第二道安全防线。放气孔是易容片（熔点较低的合金材料），试说明采用易容片的物理道理。（2）小明测得家中高压锅出气孔的直径为4mm,压在出气孔上的安全阀的质量为80g，取g=10N/kg。计算安全阀自重对出气孔处气体所产生的压强。?
【答案】（1）随着高压锅内的气压越来越高，高压锅内部的温度也越来越高，引起易容片的熔化，从而打开了放气孔，放出了多余的气体，减小了锅内的压力，避免发生爆炸。
（2）P=F/S，F=G=mg=0.08Kg×10N/Kg=0.8N，S=πr2=3.14×(0.002m)?≈0.00001256m2
P=F/S=0.8N/0.00001256m2≈63694.3pa
例2.
高压锅内径为24厘米,锅盖上的限压出气口的面积为7平方毫米,限压阀的质量为100.8克，求：（1）使用时，锅内气体的压强最大可达多少？（2）设锅内压强每增加4000帕，水的沸点就相应地增加1℃，则锅内的最高温度可达多高？（g=10N／Kg，外界大气压强100000帕）
【答案】（1）P内=P外+P阀=100000
Pa
+0.1008Kg×10N/Kg/7×10-6m2=244000Pa
（2）△P=P内-P外=244000
Pa
-100000
Pa
=144000
Pa
n=△P/P’=144000/4000=36
t最高=t+△t=100℃+36℃=136℃
随堂练习1.高压锅是应用液体沸点会随着气压增大而升高的原理设计的.已知高压锅盖出气孔的横截面积为12mm2,限压阀的质量为84g.用该高压锅烧水,水温最高可以到达多少?(g取10N/kg,大气压取1.0×105Pa.)
【答案】压强差0.074个标准大气压，锅内（1.013+0.074）个标准大气压，温度102℃。
2.家庭常用的高压锅（图甲）与普通锅主要不同之处在于它的密闭性好。图乙是高压锅的结构示意图，它的盖子上有三个气孔，带有活塞的气孔1使锅内与外界连通，此时锅内气压与外界大气压强相等（外界大气压为1.0×105Pa），当锅内温度升高至100℃时，锅内气体会把气孔1的活塞顶起，这时锅被密封。锅内温度继续升高，气体压强增大，当压强增至最大值时，气体就会冲开气孔2上的限压阀。气孔3正常情况下无作用，图乙中未画出。设锅内气压每增加3.6×103Pa，水的沸点相应增加1℃。锅内水的初始温度为20℃。限压阀被冲开前，锅内水在升温阶段单位时间内升高的温度相同。求：（1）锅内温度升高到110℃时，锅内的气压是多大？（2）此高压锅限压阀的质量为70g，气孔2的面积为7mm2，则锅内的最高温度可达到多少？(g取10N/kg，结果保留整数)（3）若“压强每增加3.6×103Pa，水的沸点相应增加1℃”这一条件以及限压阀的质量和气孔2的面积均未知，请用一只手表及题中的其他条件，估测出锅内的最高温度。（说明：写出锅内最高温度的表达式，并指出表达式中各测量量的含义。）
?
【答案】（1）外界大气压，水的沸点为100℃
　
（2）限压阀质量?，气孔2面积
设锅内最高气压为，以限压阀为研究对象，则
锅内最高温度
（3）锅内最高温度
：从开始加热至气孔1中活塞被顶起的时间。
：从活塞被顶起至限压阀被顶起的时间。
例3.小明同学家的高压锅盖上标有“XX铝制厂18Cm压力锅”字样，他测出限压阀质量70g，排气孔横截面积10
mm2问：（1）、高压锅工作时，内部水蒸气压强最大为多大？（2）、如果锅盖面积260cm2,则它能承受的压力至少为多大时才能保证安全？（大气压P＝1×105
Pa，g取9.8N/kg）（3）、对照表格，说明高压锅内部水沸腾的最高温度是多少？
（表格实质性内容：大气压为1.3时，沸点为110，大气压为1.5时，沸点为115。）
【答案】（1）当“高压锅工作时，设内部水蒸气压强最大为”P'.
限压阀形成的压强P1=F/S=G/S=mg/s=0.07Kg×9.8N/kg/10×10-6m2=68600Pa
故P'=P+P1=1×105
Pa+68600Pa=168600Pa
（2）锅盖承受的压力,来自内部的气压力,及外面的大气压力,两者方向相反.因此,锅盖要额外承受的压力F’，
F’=
（P'-P）S’=68600Pa×260×10-4m2=1783.6牛顿
（3）高压锅内部水沸腾的最高温度超过115度。大概122度。
随堂练习
高压锅直径为24Cm，限压出气口直径为3.5mm,限压阀质量为100g,使用时高压锅内外最大压强差为多少?锅盖与锅的接口处应至少能承受多大的力才行?
【答案】△P=P内-P外=P阀=mg/s=0.1Kg×9.8N/Kg/=101910.8pa
F=△PS’=101910.8Pa×0.045216m2=4608N
例4.
下图高压锅示意图：锅盖上有一个空心柱为排气孔，空心柱上戴着一个帽子为限压阀。当高压锅内气体的压强超过安全值时，锅内的气体就会冲开限压阀，气体跑出一部分，使锅内气体的压强减小。现有一个直径为24cm，空心柱小孔的横截面积为10mm2，限压阀的质量为100g
的高压锅炉，要用它来煮饭。若当时的大气压为1.0
×105Pa。(g取10N／kg)
问：(1)此高压锅内气体能达到的最大压强为多少?(2)经商品质量检测部门检测，此高压锅内气体的最大压强不能超过1.8×105Pa。要使此高压锅能继续安全使用，原来的限压阀还能不能继使用?若不能，应该再配备一个多大质量的限压阀？（g取10N/Kg）
【答案】（1）设外界大气压为p0，而限压阀产生压强为pm,锅内气体压强
（2）由于，要使此高压锅继续使用，必须减少，
由可知，外界大气压强不变，要减少，必须减少限压阀的质量。
，
随堂练习
小明家的高压锅锅体直径为24cm，排气孔内径为4mm。小明不慎丢失了锅的限压阀，当他到商店购买时售货员告诉他，生产这个锅的厂家提供的限压阀有两种，孔径相同，质量分别为100g和60g。（1）请你根据说明书给出的数据，通过计算说明，小明应该买哪一种限压阀。(说明书标有：当大气压为105Pa时，该锅最高温度为120℃。已知：水的沸点与压强的关系如图所示，取g
=10N/kg)（2）请你说明如果买另一种限压阀，使用时会出现什么问题。
（1）由图可知，当锅内温度为120℃时，锅内压强p=1.8×105Pa。
此时限压阀受力：F0+G=F
，
设安全阀的质量为m，则有：p0S+mg=pS
可得：m=kg=0.1kg=100g
所以，应该买质量为100g的限压阀。
（2）如果买了另一种质量为60g的限压阀，使用时会出现锅内的最高气压值偏小，锅内温度不能达到120℃的后果。
强化练习
1.
用物理知识解释高压锅煮饭熟得快的道理。
【答案】高压锅是密封的，液面上气压较高，水的沸点也升高，能达到较高的温度，所以熟得快。
2.测得一个24厘米高压锅的限压阀的质量为0.1千克，排气孔的内径为3毫米。如果用它煮水消毒，根据下面水的沸点与压强关系的表格，这个高压锅内的最高温度大约是多少？
【答案】(1)
(2)
(3)
综上：
(4)
代入数值p
=
2.4×105帕
(5)，从表中查出，锅内温度约为126
℃。
评分标准：本题6分，(1)、(2)、(3)、(4)、(5)式各1分，答出锅内温度再给1分，（温度为126
℃～127
℃的都给分）。
3.小杰家的压力锅盖上标有“××铝制品厂24公分压力锅”的字样。他测得限压阀的质量是100克，排气孔的直径为3毫米，这个压力锅正常工作时内部水蒸气的最大压强相当于大气压的多少倍？锅盖至少要能承受多大压力才能保证安全？（大气压强为1.01×105帕）
【答案】排气孔的面积S=πr2=πd2/4，锅内最大压强是大气压强的2.4倍。
锅盖的有效面积为：S＇=πD2/4，锅盖至少要能承受的压力等于锅内外的压力差：
4.
盛夏时分，“小问号”王欣同学在打开冰箱取饮料时，突然脑海里浮出一个问题：为什么每次开冰箱门都比较费力?通过仔细观察他发现打开冰箱门时，冰箱里的冷空气出来，外面的热空气进去．当冰箱门重新关上后，就将这部分热空气也关在了里面，箱内热空气冷却收缩．压强减小．王欣判断这应该是开冰箱门费力的一个原因。若冰箱门长为0.6m．宽为0.5m冰箱外的气压为1×l05?
Pa，设冰箱内部与外部的气压相差1/1000，
求：(1)冰箱内气体压强多少?
(2)冰箱内、外气体对门的压力各是多少?(3)冰箱门受到的内外压力差相当于质量为多少的物体受到的重力大小?(g=10N／kg)
【答案】（１）　
（2）冰箱门的面积
?
（3）
冰箱门受到的内外压力差为??
由，此压力相当于质量为的物体所受重力
???
?
5.
已知高压锅的限压阀的质量为100.8
g，排气孔的面积为7mm2．求：（1）锅内气体的压强最大可达多少?（2）设锅内压强每增加3.6×103Pa，水的沸点就相应的增加1℃，则锅内的最高温度可达多高?(g取10N/kg；外界大气压强为1标准大气压，计算时取1×105Pa)
【答案】（1）锅内最大压强为：p=p0+mg／S=1×105Pa+(0.1008×10)/7×10-6=2.44×105Pa．
（2）锅增加压强为△p=p-p0=1.44×105Pa，水的沸点增高△t=(1.44×105／3.6×103)℃=40℃
所以，锅内温度最高可达：t=100℃+40℃=140℃
高压锅的锅盖通过几个牙齿似的锅齿与锅镶嵌旋紧，锅盖与锅之间有橡皮制的密封圈，不会漏气．锅盖中间有一排气孔，上面套着类似砝码的限压阀将排气孔堵住，当加热高压锅(锅内有水、食物)，锅内气体压强增加到一定程度时，气体就会把限压阀顶起来，蒸气即可从排气孔排出锅外，这样就不会因为锅内压强过大而造成爆炸，以确保安全。
6.
某同学为了研究植被的垂直分布与气候的关系，考察了亚热带地区的某座海拔2000米以下的高山。在山脚a处，他看到的是常绿阔叶林，并测得此处海拔为100米，气温为22℃，大气压为1×105帕；往上走，他经过了常绿阔叶、落叶阔叶混交林。当他进入落叶阔叶矮林时，刚好在山腰中央b处；继续往上走时他看到的是高山灌木丛，过了c处后，即进入山地草甸。过了一会儿到达了山顶d处。他在处测得大气压为8×104帕。根据所学知识。求：（1）这座山的海拔；（2）山顶d处气温。
【答案】设这座山的海拔为x，山顶d处的气温为T。根据所学知识：在海拔2000米以内，每升高12米，大气压强降低133Pa，海拔每升高1000米，气温下降6℃，可得：
12米：133Pa=（x-100米）：（1×103Pa-8×104Pa），则x≈1905米。
据此，则1000米：6℃=（1905米-100米）：（22℃-T），则T=11.2℃。
7.
高压锅是生活中一种密闭的加热容器。锅盖中央有一出气孔，孔上盖有限压阀，当锅内气压达到限定值时，限压阀被锅内气体顶起放出部分气体，实现了对锅内气体压强的控制。如图所示，某高压锅锅体的内底面积为S，侧壁竖直，出气孔横截面积为S0，限压阀质量为m0,限压阀顶部面积为S1（已知大气压强为P0）。（1）写出液体沸点与气压的关系；（2）求使用高压锅时锅内气体的最大压强；（3）为保证使用安全，不可随意增加限压阀质量。如果限压阀的质量增加m，请计算锅体与锅盖咬合处锅体对锅盖的最大作用力增大多少。
【答案】（天津中考）（1）液体表面气压越大，液体的沸点越高。
（2）当限压阀刚要被顶起时，受力平衡：
锅内气体最大压强：
（3）锅内气体对锅盖最大压力的增加量：
锅体对锅盖的最大作用力增加量为：
因为S远大于S0，所以
8.在日常生活中，为了提高烹煮食物的温度，缩短烹煮的时间，人们利用水的沸点随气压的升高而升高的性质制造出了高压锅。某种规格的高压锅出气口的直径为3.2mm，计算出它的面积约为8。要使锅内的气压达到2个标准大气压，请你帮助计算该高压锅应配的限压阀的质量为多少克？（设外界气压为1个标准大气压，1个标准大气压取Pa，g取10N/kg）
【答案】（天津中考）设出气口的面积为S，外界大气压为p0，锅内气压为p，
限压阀质量为m，有
9.
若高压锅盖的面积约为420cm2，当锅内蒸汽的压强达到1.6个标准大气压时，锅盖与锅体间的拉力为__________N。（以知外界大气压为1个标准大气压，1个标准大气压的值可近似取105Pa）
【答案】（天津中考）2.7×103
10.
如图是锅炉上的保险阀，当门受到的蒸汽压强超过安全值时，阀门被顶开，蒸汽跑出一部分，使锅炉内的蒸汽压强减小，已知杠杆重可以忽略不计，OA与AB长度的比值为1：3，阀门的面积是3cm2，要保持锅炉内、外气体的压强差是1.2×105Pa，试求应将质量为多大的生物挂在杠杆的B点？（g取10N/kg）
【答案】（天津中考）m=O．9(kg)
F=36(N)
G=9(N)
11.高压锅是家庭厨房中常见的炊具，利用它可以将食物加热到100℃以上．它省时高效，深受消费者欢迎．（1）请问高压锅的设计运用了哪些物理知识？（2）小明在有关媒体上看到了由于出气孔堵塞，致使高压锅爆炸的报道后，给厂家提出了一个增加易熔片（熔点较低的合金材料）的改进建议．现在生产的高压锅已普遍增加了含有易熔片的出气孔（如图1）．试说明小明建议的物理道理．（3）小明测得家中高压锅出气孔的直径为4mm，压在出气孔上的安全阀的质量为80g．通过计算并对照图象（图2）说明利用这种高压锅烧水时，最高温度大约是多少？假若要把这种高压锅向西藏地区销售，你认为需要做哪方面的改进，如何改进？
【答案】（1）根据题干中高压锅的信息图可知高压锅的设计中用到很多物理知识，比如：
可以将食物加热到100℃以上，应用到了沸点与气压的关系；锅内压力等于大气压力和限压阀的压力，应用了二力平衡的知识；计算锅内温度的时候，用到压强的计算；增加易熔片是利用熔化的知识等等．
（2）高压锅一旦安全阀失效，锅内气压过大，锅内温度也随之升高，当温度达到易熔片的熔点时，再继续加热易熔片就会熔化，锅内气体便从放气孔喷出，使锅内气压减小，从而防止爆炸事故发生．
（3）根据题意得锅内压强等于大气压加限压阀产生的压强，即Pa=
mg/s=
80×10-3kg×10N/Kg/3.14×2×2×10-6m2=0.63×105Pa
所以有：P=P0+Pm=1.01×105Pa+0.63×105Pa=1.64×105Pa
由图象可得锅内最高温度大约为115℃．
2