水通常在 100 摄氏度沸腾,无论你把敞开的锅加热得多猛,水也无法比这更热;多余的热只是把更多水变成蒸气。这就给食物熟得多快设了上限。
高压锅是密封的,产生的蒸气无法逸出,锅内压力便升高。对一定量的气体,升高压力与更高的温度相联系,而更高的压力也把水的沸点推到 100 度以上。水现在也许能达到约 120 度才沸腾,食物处于更热的环境中,熟得明显更快,也更省燃料。
同样的关系反过来,就解释了为什么在高山上气压较低时,水不到 100 度就沸腾。
在 SPM 中,你应把压力、温度与气体定律联系起来,并把沸点与液面上方的压力关联起来。
常见误解
- 高压锅煮得快是因为火更旺 -> 火是一样的;水和蒸气变得更热,是因为沸点随压力升高。
- 水永远在 100 摄氏度沸腾 -> 沸点取决于液面上方的压力,加压时更高,在高山上则更低。
- 把锅密封只是像盖被子一样保住热 -> 密封会升高压力,这才允许更高的温度和更快的烹煮。
背后的物理
对于保持在恒定体积下的一定质量气体,压力定律指出:压力与绝对温度成正比,即 P/T 为常数,或 P₁/T₁ = P₂/T₂,温度以开尔文(K)为单位。压力 P 以帕斯卡(Pa)为单位,0 °C 等于 273 K。
在密封的高压锅内,被困住的蒸气无法逸出,所以温度升高时压力也随之攀升。假设气体从 100 kPa、300 K 开始,在恒定体积下被加热到 350 K,新的压力为 P₂ = P₁ × T₂/T₁ = 100 kPa × 350 K ÷ 300 K = 116.7 kPa。
这更高的压力压在水面上,把沸点抬高到通常的 100 °C 以上,于是水和蒸气在沸腾散尽之前能变得更热。被这种更高温度的水和蒸气包围的食物便熟得更快。
关键链条很简单:密封的体积、上升的压力、更高的沸点、更热的烹煮。
在日常生活中看它
想象一块要做仁当(rendang)的老牛肉,或一锅干豆,用普通加盖的锅慢煮要两三个小时。在敞口的锅里,无论火多大,水都被卡在 100 °C,所以把肉或豆煮软很慢。
把同样的食物密封在高压锅里,被困的蒸气把压力顶上去,将沸点抬到 100 °C 以上。现在食物处于比普通锅所能达到的更热的水和蒸气中,同样的仁当或豆子在很短的时间内就变得软烂,还更省煤气。
你能听到物理在起作用:锅盖上的小重锤在释放多余蒸气时会摇晃、发出嘶嘶声,把压力、也就是温度,维持在一个稳定的高水平。煮好后,放掉蒸气会降低压力,沸点回落到 100 °C,这时才可以安全地打开锅盖。
在 SPM 中怎么考
在卷二中,这个概念常用陈述(state)、解释(explain)、关联(relate)和求解(solve)等指令词来考查。你可能被要求陈述压力定律、解释为什么密封的锅煮得更快,或在把温度换算成开尔文后运用 P₁/T₁ = P₂/T₂。
在同一个热章节里,它属于气体定律,与联系压力和体积的玻意耳定律,以及联系体积和温度的查理定律并列。它也与比潜热相关联,因为沸腾是一种状态改变,还与液体的沸点取决于其上方压力这一观念相关。
一个常见任务是描述气体定律实验,并计算未知的压力、体积或温度,且总是先把摄氏换成开尔文。记住气体定律中的温度必须是绝对温度,所以代入前要给摄氏值加上 273。
带对单位和使用开尔文,是让这类答案保持正确的两个习惯。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)