压强和浮力-大气压应用-高压锅(教师版)
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=0.5×10Pa (2) 5,p内=1.5×10Pa 5
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。
22(2)P=F/S,F=G=mg=0.08Kg×10N/Kg=0.8N,S=πr=3.14×(0.002m)²≈0.00001256m
2P=F/S=0.8N/0.00001256m≈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)
-62【答案】(1)P内=P外+P阀=100000 Pa +0.1008Kg×10N/Kg/7×10m=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
2气孔的横截面积为12mm,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
5取10N/kg,大气压取1.0×10Pa.)
【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
5外界大气压强相等(外界大气压为1.0×10Pa),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
3气压每增加3.6×10Pa,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,
2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7mm,则锅内的
3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3.6×10Pa,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
设锅内最高气压为 ,气孔2面积,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,
2排气孔横截面积10 mm问:(1)、高压锅工作时,内部水蒸气压强最大为多大?(2)、如果
25锅盖面积260cm,则它能承受的压力至少为多大时才能保证安全?(大气压P=1×10 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'.
-62限压阀形成的压强P1=F/S=G/S=mg/s=0.07Kg×9.8N/kg/10×10m=68600Pa
5故P'=P+P1=1×10 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
-42外承受的压力F’, F’= (P'-P)S’=68600Pa×260×10m=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
2F=△PS’=101910.8Pa×0.045216m=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
2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10mm,限压阀的质量
5为100g 的高压锅炉,要用它来煮饭。若当时的大气压为1.0 ×10Pa。(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
5体的最大压强不能超过1.8×10Pa。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。
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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。
5(1)由图可知,当锅内温度为120℃时,锅内压强
p=1.8×10Pa。
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)
5(2) (3) 综上: (4) 代入数值p = 2.4×10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
5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1.01×10帕)
22【答案】排气孔的面积S=πr=πd/4,锅内最大压强是大气压强的2.4倍。
2锅盖的有效面积为:S'=πD/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
5 0.5m冰箱外的气压为1×l0Pa,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
2 5. 已知高压锅的限压阀的质量为100.8 g,排气孔的面积为7mm.求:(1)锅内气体的压
3强最大可达多少?(2)设锅内压强每增加3.6×10Pa,水的沸点就相应的增加1℃,则锅内
5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1×10Pa)
5-65【答案】(1)锅内最大压强为:p=p0+mg/S=1×10Pa+(0.1008×10)/7×10=2.44×10Pa.
553(2)锅增加压强为△p=p-p0=1.44×10Pa,水的沸点增高△t=(1.44×10/3.6×10)℃=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℃,
5大气压为1×10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
4地草甸。过了一会儿到达了山顶d处。他在处测得大气压为8×10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:
3412米:133Pa=(x-100米):(1×10Pa-8×10Pa),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:Fp0S0m0g 锅内气体最大压强:ppSm0gmgF00p00 S0S0S0
mgS(SS0)mgmg S0S0(3)锅内气体对锅盖最大压力的增加量:Fp(SS0)
锅体对锅盖的最大作用力增加量为:F'F
因为S远大于S0,所以F'Smg S0Smgmg S0
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8mm2。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105Pa,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pSp0Smg
(pp0)Sp0S1058106
m80g gg10
9. 若高压锅盖的面积约为420cm,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
5近似取10Pa)
3 【答案】(天津中考)2.7×10
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,
25阀门的面积是3cm,要保持锅炉内、外气体的压强差是1.2×10Pa,试求应将质量为多大的
生物挂在杠杆的B点?(g取10N/kg) 2
【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(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= 80×10kg×
-62510N/Kg/3.14×2×2×10m=0.63×10Pa
555所以有:P=P0+Pm=1.01×10Pa+0.63×10Pa=1.64×10Pa
由图象可得锅内最高温度大约为115℃.