資源簡介

大氣壓應用—高壓鍋專題
高壓鍋理論知識
1、高壓鍋的原理
高壓鍋又叫壓力鍋，用它可將被蒸煮的食物加熱到100℃以上，于1679年由法國物理學家帕斯卡發明。
高壓鍋屬于壓力容器，其利用橡膠圈將鍋密封起來，使煮沸的水蒸氣無法跑掉，形成高溫高壓，水能煮成108攝氏度，使食物迅速膨脹軟化。高壓鍋內的壓力不會無限地上升，高壓鍋的排氣裝置會在氣壓達到一定程度時把蒸汽排出，保證使用安全。
2.高壓鍋的構造
3.高壓鍋的特點
（1）
經久耐用、節省時間、節省能源
（2）受熱均勻，傳熱快，不易糊底
（3）
充分溶解釋放食物中的營養
（4）安全可靠
4.
高壓鍋的種類及特點
（1）壓力鍋從原材料上分，一般分為鋁制的、鋁合金的和不銹鋼的三種。
√
鋁制的重量輕、傳熱快、價格便宜，使用壽命可達20年以上。但是使用它無疑要增加鋁元素的吸收量，長期使用它對健康不利。
√
鋁合金的要比純鋁制品好一些，耐用、結實。
√
不銹鋼壓力鍋貴，但耐熱、美觀，不易和食物中的酸、堿、鹽起反應，且使用壽命最長，可達30年以上。
√
國家于1992年頒發鋁壓力鍋國家標準，其代碼為GB13623-92，于1994年頒發不銹鋼壓力鍋國家標準，其代碼為GB15066-94。市面上銷售的高壓鍋都應按此標準生產。
（2）按使用能源劃分可分為普通壓力鍋和電壓力鍋。
隨著環境保護意識的增強，一些廠家開發了電壓力鍋，如容聲系列電壓力鍋，使用方便、清潔。
5.
高壓鍋的使用時限
壓力鍋一般使用年限為8年，絕不能“超期服役”，超過8年不管壞沒壞都不能再使用。
6.
高壓鍋氣壓與沸點對照表
7．高壓鍋注意事項
（1）為什么使用高壓鍋時不能把其他重物壓在加壓閥上？
高壓鍋內氣體壓強完全是由加壓閥的重力控制的。為簡單起見，設把一個96.5克的砝碼壓在加壓閥上，那么加壓閥對鍋內蒸汽的壓強可增為2個大氣壓，鍋內氣體的壓強可達3個大氣壓，沸點可升至134℃，這樣很易造成高壓鍋爆炸。所以要嚴禁這樣做。
（2）用高壓鍋燒好湯后，若突然拿下加壓閥，鍋內汽壓突然降至1大氣壓，沸點降至100℃，大量的水會突然汽化而急劇沸騰，反而使鍋內氣壓突然升高，極易引起爆炸或大量高溫汽、湯噴出。因此這一方法要嚴禁使用。
（3）怎樣才能快速、安全地拿下鍋蓋呢？
方法一，把高壓鍋放在冷水中冷卻。
因為水的比熱很大，高壓鍋和冷水之間有較大的溫度差，熱量從鍋傳給冷水后鍋的溫度下降，但鍋內下方多為液體，通過傳導把熱量傳出后液體溫度下降，密度增大，而鍋內上方和下方不能形成對流，這種方法對減小鍋內汽壓的效果不太明顯（需要較長時間）。
方法二，往鍋蓋上淋冷水。
由于鍋內溫度達120℃，外界大氣壓強為1大氣壓，水的沸點為100℃，冷水滴在鍋蓋上會立即汽化，而水在100℃的汽化熱為539卡/克，因而迅速帶走大量的熱，使鍋內氣體溫度下降，在鍋內液化成水。相比之下，方法二要優越得多。
典型例題
例1.
高壓鍋的直徑是24cm,限壓閥直徑為4mm，限壓閥質量為64g，使用時，高壓鍋內外最大壓強差是多大？鍋內最大壓強是多大？
【答案】(1)，pm=0.5×105Pa
(2)
,p內=1.5×105Pa
隨堂練習
家庭常用的高壓鍋與普通鍋主要不同之處在于它的密閉性好。（1)為了防止出氣孔堵塞致使高壓鍋爆炸的危險，放氣孔是它的第二道安全防線。放氣孔是易容片（熔點較低的合金材料），試說明采用易容片的物理道理。（2）小明測得家中高壓鍋出氣孔的直徑為4mm,壓在出氣孔上的安全閥的質量為80g，取g=10N/kg。計算安全閥自重對出氣孔處氣體所產生的壓強。?
【答案】（1）隨著高壓鍋內的氣壓越來越高，高壓鍋內部的溫度也越來越高，引起易容片的熔化，從而打開了放氣孔，放出了多余的氣體，減小了鍋內的壓力，避免發生爆炸。
（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.
高壓鍋內徑為24厘米,鍋蓋上的限壓出氣口的面積為7平方毫米,限壓閥的質量為100.8克，求：（1）使用時，鍋內氣體的壓強最大可達多少？（2）設鍋內壓強每增加4000帕，水的沸點就相應地增加1℃，則鍋內的最高溫度可達多高？（g=10N／Kg，外界大氣壓強100000帕）
【答案】（1）P內=P外+P閥=100000
Pa
+0.1008Kg×10N/Kg/7×10-6m2=244000Pa
（2）△P=P內-P外=244000
Pa
-100000
Pa
=144000
Pa
n=△P/P’=144000/4000=36
t最高=t+△t=100℃+36℃=136℃
隨堂練習1.高壓鍋是應用液體沸點會隨著氣壓增大而升高的原理設計的.已知高壓鍋蓋出氣孔的橫截面積為12mm2,限壓閥的質量為84g.用該高壓鍋燒水,水溫最高可以到達多少?(g取10N/kg,大氣壓取1.0×105Pa.)
【答案】壓強差0.074個標準大氣壓，鍋內（1.013+0.074）個標準大氣壓，溫度102℃。
2.家庭常用的高壓鍋（圖甲）與普通鍋主要不同之處在于它的密閉性好。圖乙是高壓鍋的結構示意圖，它的蓋子上有三個氣孔，帶有活塞的氣孔1使鍋內與外界連通，此時鍋內氣壓與外界大氣壓強相等（外界大氣壓為1.0×105Pa），當鍋內溫度升高至100℃時，鍋內氣體會把氣孔1的活塞頂起，這時鍋被密封。鍋內溫度繼續升高，氣體壓強增大，當壓強增至最大值時，氣體就會沖開氣孔2上的限壓閥。氣孔3正常情況下無作用，圖乙中未畫出。設鍋內氣壓每增加3.6×103Pa，水的沸點相應增加1℃。鍋內水的初始溫度為20℃。限壓閥被沖開前，鍋內水在升溫階段單位時間內升高的溫度相同。求：（1）鍋內溫度升高到110℃時，鍋內的氣壓是多大？（2）此高壓鍋限壓閥的質量為70g，氣孔2的面積為7mm2，則鍋內的最高溫度可達到多少？(g取10N/kg，結果保留整數)（3）若“壓強每增加3.6×103Pa，水的沸點相應增加1℃”這一條件以及限壓閥的質量和氣孔2的面積均未知，請用一只手表及題中的其他條件，估測出鍋內的最高溫度。（說明：寫出鍋內最高溫度的表達式，并指出表達式中各測量量的含義。）
?
【答案】（1）外界大氣壓，水的沸點為100℃
　
（2）限壓閥質量?，氣孔2面積
設鍋內最高氣壓為，以限壓閥為研究對象，則
鍋內最高溫度
（3）鍋內最高溫度
：從開始加熱至氣孔1中活塞被頂起的時間。
：從活塞被頂起至限壓閥被頂起的時間。
例3.小明同學家的高壓鍋蓋上標有“XX鋁制廠18Cm壓力鍋”字樣，他測出限壓閥質量70g，排氣孔橫截面積10
mm2問：（1）、高壓鍋工作時，內部水蒸氣壓強最大為多大？（2）、如果鍋蓋面積260cm2,則它能承受的壓力至少為多大時才能保證安全？（大氣壓P＝1×105
Pa，g取9.8N/kg）（3）、對照表格，說明高壓鍋內部水沸騰的最高溫度是多少？
（表格實質性內容：大氣壓為1.3時，沸點為110，大氣壓為1.5時，沸點為115。）
【答案】（1）當“高壓鍋工作時，設內部水蒸氣壓強最大為”P'.
限壓閥形成的壓強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）鍋蓋承受的壓力,來自內部的氣壓力,及外面的大氣壓力,兩者方向相反.因此,鍋蓋要額外承受的壓力F’，
F’=
（P'-P）S’=68600Pa×260×10-4m2=1783.6牛頓
（3）高壓鍋內部水沸騰的最高溫度超過115度。大概122度。
隨堂練習
高壓鍋直徑為24Cm，限壓出氣口直徑為3.5mm,限壓閥質量為100g,使用時高壓鍋內外最大壓強差為多少?鍋蓋與鍋的接口處應至少能承受多大的力才行?
【答案】△P=P內-P外=P閥=mg/s=0.1Kg×9.8N/Kg/=101910.8pa
F=△PS’=101910.8Pa×0.045216m2=4608N
例4.
下圖高壓鍋示意圖：鍋蓋上有一個空心柱為排氣孔，空心柱上戴著一個帽子為限壓閥。當高壓鍋內氣體的壓強超過安全值時，鍋內的氣體就會沖開限壓閥，氣體跑出一部分，使鍋內氣體的壓強減小?，F有一個直徑為24cm，空心柱小孔的橫截面積為10mm2，限壓閥的質量為100g
的高壓鍋爐，要用它來煮飯。若當時的大氣壓為1.0
×105Pa。(g取10N／kg)
問：(1)此高壓鍋內氣體能達到的最大壓強為多少?(2)經商品質量檢測部門檢測，此高壓鍋內氣體的最大壓強不能超過1.8×105Pa。要使此高壓鍋能繼續安全使用，原來的限壓閥還能不能繼使用?若不能，應該再配備一個多大質量的限壓閥？（g取10N/Kg）
【答案】（1）設外界大氣壓為p0，而限壓閥產生壓強為pm,鍋內氣體壓強
（2）由于，要使此高壓鍋繼續使用，必須減少，
由可知，外界大氣壓強不變，要減少，必須減少限壓閥的質量。
，
隨堂練習
小明家的高壓鍋鍋體直徑為24cm，排氣孔內徑為4mm。小明不慎丟失了鍋的限壓閥，當他到商店購買時售貨員告訴他，生產這個鍋的廠家提供的限壓閥有兩種，孔徑相同，質量分別為100g和60g。（1）請你根據說明書給出的數據，通過計算說明，小明應該買哪一種限壓閥。(說明書標有：當大氣壓為105Pa時，該鍋最高溫度為120℃。已知：水的沸點與壓強的關系如圖所示，取g
=10N/kg)（2）請你說明如果買另一種限壓閥，使用時會出現什么問題。
（1）由圖可知，當鍋內溫度為120℃時，鍋內壓強p=1.8×105Pa。
此時限壓閥受力：F0+G=F
，
設安全閥的質量為m，則有：p0S+mg=pS
可得：m=kg=0.1kg=100g
所以，應該買質量為100g的限壓閥。
（2）如果買了另一種質量為60g的限壓閥，使用時會出現鍋內的最高氣壓值偏小，鍋內溫度不能達到120℃的后果。
強化練習
1.
用物理知識解釋高壓鍋煮飯熟得快的道理。
【答案】高壓鍋是密封的，液面上氣壓較高，水的沸點也升高，能達到較高的溫度，所以熟得快。
2.測得一個24厘米高壓鍋的限壓閥的質量為0.1千克，排氣孔的內徑為3毫米。如果用它煮水消毒，根據下面水的沸點與壓強關系的表格，這個高壓鍋內的最高溫度大約是多少？
【答案】(1)
(2)
(3)
綜上：
(4)
代入數值p
=
2.4×105帕
(5)，從表中查出，鍋內溫度約為126
℃。
評分標準：本題6分，(1)、(2)、(3)、(4)、(5)式各1分，答出鍋內溫度再給1分，（溫度為126
℃～127
℃的都給分）。
3.小杰家的壓力鍋蓋上標有“××鋁制品廠24公分壓力鍋”的字樣。他測得限壓閥的質量是100克，排氣孔的直徑為3毫米，這個壓力鍋正常工作時內部水蒸氣的最大壓強相當于大氣壓的多少倍？鍋蓋至少要能承受多大壓力才能保證安全？（大氣壓強為1.01×105帕）
【答案】排氣孔的面積S=πr2=πd2/4，鍋內最大壓強是大氣壓強的2.4倍。
鍋蓋的有效面積為：S＇=πD2/4，鍋蓋至少要能承受的壓力等于鍋內外的壓力差：
4.
盛夏時分，“小問號”王欣同學在打開冰箱取飲料時，突然腦海里浮出一個問題：為什么每次開冰箱門都比較費力?通過仔細觀察他發現打開冰箱門時，冰箱里的冷空氣出來，外面的熱空氣進去．當冰箱門重新關上后，就將這部分熱空氣也關在了里面，箱內熱空氣冷卻收縮．壓強減小．王欣判斷這應該是開冰箱門費力的一個原因。若冰箱門長為0.6m．寬為0.5m冰箱外的氣壓為1×l05?
Pa，設冰箱內部與外部的氣壓相差1/1000，
求：(1)冰箱內氣體壓強多少?
(2)冰箱內、外氣體對門的壓力各是多少?(3)冰箱門受到的內外壓力差相當于質量為多少的物體受到的重力大小?(g=10N／kg)
【答案】（１）　
（2）冰箱門的面積
?
（3）
冰箱門受到的內外壓力差為??
由，此壓力相當于質量為的物體所受重力
???
?
5.
已知高壓鍋的限壓閥的質量為100.8
g，排氣孔的面積為7mm2．求：（1）鍋內氣體的壓強最大可達多少?（2）設鍋內壓強每增加3.6×103Pa，水的沸點就相應的增加1℃，則鍋內的最高溫度可達多高?(g取10N/kg；外界大氣壓強為1標準大氣壓，計算時取1×105Pa)
【答案】（1）鍋內最大壓強為：p=p0+mg／S=1×105Pa+(0.1008×10)/7×10-6=2.44×105Pa．
（2）鍋增加壓強為△p=p-p0=1.44×105Pa，水的沸點增高△t=(1.44×105／3.6×103)℃=40℃
所以，鍋內溫度最高可達：t=100℃+40℃=140℃
高壓鍋的鍋蓋通過幾個牙齒似的鍋齒與鍋鑲嵌旋緊，鍋蓋與鍋之間有橡皮制的密封圈，不會漏氣．鍋蓋中間有一排氣孔，上面套著類似砝碼的限壓閥將排氣孔堵住，當加熱高壓鍋(鍋內有水、食物)，鍋內氣體壓強增加到一定程度時，氣體就會把限壓閥頂起來，蒸氣即可從排氣孔排出鍋外，這樣就不會因為鍋內壓強過大而造成爆炸，以確保安全。
6.
某同學為了研究植被的垂直分布與氣候的關系，考察了亞熱帶地區的某座海拔2000米以下的高山。在山腳a處，他看到的是常綠闊葉林，并測得此處海拔為100米，氣溫為22℃，大氣壓為1×105帕；往上走，他經過了常綠闊葉、落葉闊葉混交林。當他進入落葉闊葉矮林時，剛好在山腰中央b處；繼續往上走時他看到的是高山灌木叢，過了c處后，即進入山地草甸。過了一會兒到達了山頂d處。他在處測得大氣壓為8×104帕。根據所學知識。求：（1）這座山的海拔；（2）山頂d處氣溫。
【答案】設這座山的海拔為x，山頂d處的氣溫為T。根據所學知識：在海拔2000米以內，每升高12米，大氣壓強降低133Pa，海拔每升高1000米，氣溫下降6℃，可得：
12米：133Pa=（x-100米）：（1×103Pa-8×104Pa），則x≈1905米。
據此，則1000米：6℃=（1905米-100米）：（22℃-T），則T=11.2℃。
7.
高壓鍋是生活中一種密閉的加熱容器。鍋蓋中央有一出氣孔，孔上蓋有限壓閥，當鍋內氣壓達到限定值時，限壓閥被鍋內氣體頂起放出部分氣體，實現了對鍋內氣體壓強的控制。如圖所示，某高壓鍋鍋體的內底面積為S，側壁豎直，出氣孔橫截面積為S0，限壓閥質量為m0,限壓閥頂部面積為S1（已知大氣壓強為P0）。（1）寫出液體沸點與氣壓的關系；（2）求使用高壓鍋時鍋內氣體的最大壓強；（3）為保證使用安全，不可隨意增加限壓閥質量。如果限壓閥的質量增加m，請計算鍋體與鍋蓋咬合處鍋體對鍋蓋的最大作用力增大多少。
【答案】（天津中考）（1）液體表面氣壓越大，液體的沸點越高。
（2）當限壓閥剛要被頂起時，受力平衡：
鍋內氣體最大壓強：
（3）鍋內氣體對鍋蓋最大壓力的增加量：
鍋體對鍋蓋的最大作用力增加量為：
因為S遠大于S0，所以
8.在日常生活中，為了提高烹煮食物的溫度，縮短烹煮的時間，人們利用水的沸點隨氣壓的升高而升高的性質制造出了高壓鍋。某種規格的高壓鍋出氣口的直徑為3.2mm，計算出它的面積約為8。要使鍋內的氣壓達到2個標準大氣壓，請你幫助計算該高壓鍋應配的限壓閥的質量為多少克？（設外界氣壓為1個標準大氣壓，1個標準大氣壓取Pa，g取10N/kg）
【答案】（天津中考）設出氣口的面積為S，外界大氣壓為p0，鍋內氣壓為p，
限壓閥質量為m，有
9.
若高壓鍋蓋的面積約為420cm2，當鍋內蒸汽的壓強達到1.6個標準大氣壓時，鍋蓋與鍋體間的拉力為__________N。（以知外界大氣壓為1個標準大氣壓，1個標準大氣壓的值可近似取105Pa）
【答案】（天津中考）2.7×103
10.
如圖是鍋爐上的保險閥，當門受到的蒸汽壓強超過安全值時，閥門被頂開，蒸汽跑出一部分，使鍋爐內的蒸汽壓強減小，已知杠桿重可以忽略不計，OA與AB長度的比值為1：3，閥門的面積是3cm2，要保持鍋爐內、外氣體的壓強差是1.2×105Pa，試求應將質量為多大的生物掛在杠桿的B點？（g取10N/kg）
【答案】（天津中考）m=O．9(kg)
F=36(N)
G=9(N)
11.高壓鍋是家庭廚房中常見的炊具，利用它可以將食物加熱到100℃以上．它省時高效，深受消費者歡迎．（1）請問高壓鍋的設計運用了哪些物理知識？（2）小明在有關媒體上看到了由于出氣孔堵塞，致使高壓鍋爆炸的報道后，給廠家提出了一個增加易熔片（熔點較低的合金材料）的改進建議．現在生產的高壓鍋已普遍增加了含有易熔片的出氣孔（如圖1）．試說明小明建議的物理道理．（3）小明測得家中高壓鍋出氣孔的直徑為4mm，壓在出氣孔上的安全閥的質量為80g．通過計算并對照圖象（圖2）說明利用這種高壓鍋燒水時，最高溫度大約是多少？假若要把這種高壓鍋向西藏地區銷售，你認為需要做哪方面的改進，如何改進？
【答案】（1）根據題干中高壓鍋的信息圖可知高壓鍋的設計中用到很多物理知識，比如：
可以將食物加熱到100℃以上，應用到了沸點與氣壓的關系；鍋內壓力等于大氣壓力和限壓閥的壓力，應用了二力平衡的知識；計算鍋內溫度的時候，用到壓強的計算；增加易熔片是利用熔化的知識等等．
（2）高壓鍋一旦安全閥失效，鍋內氣壓過大，鍋內溫度也隨之升高，當溫度達到易熔片的熔點時，再繼續加熱易熔片就會熔化，鍋內氣體便從放氣孔噴出，使鍋內氣壓減小，從而防止爆炸事故發生．
（3）根據題意得鍋內壓強等于大氣壓加限壓閥產生的壓強，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
由圖象可得鍋內最高溫度大約為115℃．
2

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