Номер 559, страница 75 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

559. В кастрюле-скороварке вода кипит примерно при $120°C$. Кастрюля герметично закрыта крышкой, в которой имеется клапан, выпускающий пар при давлении $90-110 \text{ кПа}$ (сверх атмосферного). Объяснить работу кастрюли.

Дано:

Температура кипения воды в скороварке: $t = 120$ °C

Избыточное давление срабатывания клапана: $\Delta p = 90 - 110$ кПа

Перевод в систему СИ:

Температура: $T = 120 + 273.15 = 393.15$ К

Избыточное давление: $\Delta p = (90 - 110) \times 10^3$ Па

Найти:

Объяснить принцип работы кастрюли-скороварки.

Решение:

Принцип работы кастрюли-скороварки основан на физическом явлении — зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления. Кипение жидкости наступает в тот момент, когда давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению. При обычном атмосферном давлении (около $101.3$ кПа) вода кипит при $100$ °C. Если же внешнее давление увеличить, то для кипения потребуется более высокая температура.

В скороварке это и происходит. Кастрюля герметично закрывается крышкой, поэтому при нагревании образующийся водяной пар не может выйти наружу. Он накапливается над поверхностью воды, увеличивая общее давление внутри кастрюли. В крышку встроен специальный клапан, который выпускает излишки пара только тогда, когда давление превысит атмосферное на определенную величину — в данном случае на $90-110$ кПа. Таким образом, клапан поддерживает внутри постоянное высокое давление.

Рассчитаем, какое абсолютное (полное) давление $p_{полн}$ поддерживается внутри кастрюли. Оно складывается из атмосферного давления $p_{атм}$ и избыточного давления $\Delta p$, создаваемого клапаном:

$p_{полн} = p_{атм} + \Delta p$

Примем нормальное атмосферное давление $p_{атм} \approx 101$ кПа. Тогда диапазон полного давления в скороварке составит от $101 \text{ кПа} + 90 \text{ кПа} = 191$ кПа до $101 \text{ кПа} + 110 \text{ кПа} = 211$ кПа. Из справочных данных известно, что температура кипения воды при давлении около $200$ кПа (точнее, $198.5$ кПа) как раз составляет $120$ °C. Это значение давления находится внутри рабочего диапазона скороварки, что и объясняет, почему вода в ней кипит при указанной температуре.

Поскольку скорость химических реакций (в том числе и тех, которые отвечают за приготовление пищи) сильно зависит от температуры, повышение температуры кипения со $100$ °C до $120$ °C позволяет значительно ускорить процесс готовки. В этом и заключается основной эффект скороварки.

Ответ:

Работа кастрюли-скороварки основана на зависимости температуры кипения воды от давления. Герметичная крышка позволяет создать внутри кастрюли повышенное давление, которое поддерживается специальным клапаном. Это давление (около $191-211$ кПа абсолютного) поднимает температуру кипения воды до $120$ °C. Приготовление пищи при более высокой температуре происходит значительно быстрее, чем при $100$ °C.