作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2020-6-11
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咖啡壶的水为什么往上涌

Bialetti公司的摩卡壶广告

 

张宇宁

意式摩卡壶是一种常见的咖啡壶,其最大特点是简单方便,比较适合居家使用,并可以制作出类似浓缩咖啡口感的咖啡。意式摩卡壶是由意大利人阿方索·比亚莱蒂于1933年发明并制造的,至今市面上销售的摩卡壶基本上与早期的样子相近。

摩卡壶的工作原理如下。在咖啡制作的过程中,水置于壶的底部空间,四周有密封圈防止水从周围溢出。研磨后的咖啡粉则置于上部一个漏斗型的容器中,并通过中间的一个管道与下部的水相连。装填完毕后,水因为在低处并不会与咖啡粉进行混合。

之后用电热器或者燃气灶对摩卡壶底部进行加热。随着加热的进行,底部的水逐渐受热并沸腾产生蒸汽,源源不断地通过中间的管道进入咖啡粉,并进一步向上流出喷嘴进入摩卡壶的上部。待此过程完成之后,一杯美味的咖啡便制作完成了。

在制作咖啡的过程中,为什么水可以克服重力不断向上涌入呢?这里面的道理要从流体的压强开始讲述。

1647年,法国数学家布莱斯·帕斯卡发现,对于通常的水等流体而言,系统中任何一点的压力改变均可以立刻传递到流体中的任何部位。换而言之,对流体所施加的压强会迅速且同等地向四面八方的流体进行传播。在重力场中,水中两个点之间的压力差等于水的密度乘以重力加速度再乘以二者之间的高度差。

为了纪念帕斯卡的贡献,在1971年的第十四届度量衡大会上,将压强的单位用帕斯卡的名字命名,这便是我们在中学物理课本中已熟知的单位“帕”(Pa)的来历。

对于上述原理,我们可以用“帕斯卡水桶实验”对其进行简单的说明。在实验过程中,将一个较长的管道插入到圆形木桶之中。假设一个人从管道上方源源不断地向管道中注入水,使管道内部时刻充满水。

首先,我们对桶内若干特征点的压强进行分析。取桶中管道外部水面上的任意一点(标记为A点),因该点与大气接触,其压力为一个大气压。取与A点处于同样高度的管道中的一点(标记为B点),根据流体静压强公式,该点的压力等于一个大气压再加上管道中水柱的高度所产生的压强。因为A点和B点之间存在压强差且管道内部的B点压强较高,管道中的水便会源源不断地向木桶中流入,桶中的水则会不断地升高并最终溢出。如果桶是封闭的,桶内流体的静压强则会远高于桶外部的压强,从而使水桶因内外受力不均衡而导致开裂。

现在我们运用上述原理简要地解释用咖啡壶制作咖啡的过程。这里,为了讨论方便,我们假设咖啡制作过程为一个准静态过程,即忽略蒸汽等流体的瞬间变化。在加热之前,在同一水平线下,管道中的水的压力因和管道外部的压力相同,不存在流动。当咖啡壶被加热时,水会逐渐汽化,产生蒸汽。因为壶的下部空间采用密封圈进行了密封,随着蒸汽的增加,下部空间中气体的压力不断地升高。

此时,气体的压力不断驱动流体向上涌入。产生的蒸汽越多,流体向上涌入的速度越剧烈。在此过程中,部分蒸汽也混入水中一并进入上部空间的咖啡中。这些流体经过咖啡时会将咖啡溶解并将其中的油脂进行快速的萃取,然后通过顶部的喷嘴不断地流入到上部的容器之中。通过此过程,一杯浓郁的、饱含油脂的咖啡便制作完成了。咖啡机的原理与此类似。不同的是,为了进一步萃取咖啡的油脂和提升咖啡的口感,咖啡机在蒸汽产生之后采用泵对蒸汽进行进一步的压缩以将压力提高至9~15个大气压,从而实现更高的咖啡品味。

事实上,我们日常生活中司空见惯的很多现象都饱含着科学的道理,如在游泳池中潜入水底(假设水深为2米)的过程中,根据流体原理,此时我们耳朵承受的压力比在空气中增加了约0.2个大气压。在此压差的作用下,如果没有防护措施,难怪耳朵经常会有水进入了。

本科生可以多尝试将知识与实际相结合,这样做不但有助于对基本概念的理解,而且方便深入学习和领会新的知识。比如,最近几年我国在深海潜水器领域有很多突破,其中蛟龙号载人潜水器的最大下潜深度已达到7000多米。根据流体静压强的原理,该水深下的压强约为700个大气压。基于以上认识,可以想象此极端压力会给潜水器的承压性能带来多么大的挑战。

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《中国科学报》 (2020-06-11 第8版 博客)
 
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