Vì Sao Nồi Áp Suất Nấu Chín Nhanh Hơn?

· 7 phút đọc · Thầy Thạch

Vật lý quanh taNhà bếpLớp 12KHTN 9

Trên bếp, nồi áp suất bắt đầu kêu "xì… xì…". Một làn hơi trắng phụt ra từ cái van nhỏ trên nắp. Món hầm mà nồi thường phải ninh cả giờ, nồi này làm xong trong nửa thời gian.

Cùng một bếp, cùng một nồi nước. Vì sao khi đóng kín nắp lại nấu chín nhanh hơn?

Nồi áp suất đang nấu trên bếp, hơi nước xì ra qua van trên nắp

Nắp nồi khoá kín, hơi nước không thoát ra được.

Van xì hơi từng nhịp để giữ áp suất không tăng quá mức.

Đoán thử trước khi đọc

Nồi áp suất nấu nhanh hơn vì:

  • A. Nước trong nồi sôi mạnh hơn, bọt nổi nhiều hơn.
  • B. Nắp kín giữ nhiệt nên bếp tiết kiệm hơn, còn nước vẫn sôi ở 100 °C.
  • C. Nước trong nồi sôi ở nhiệt độ cao hơn 100 °C.

Chọn một đáp án trong đầu rồi đọc tiếp. Đáp án đúng là C. Hai đáp án còn lại nghe hợp lý nhưng không giải thích được vì sao thức ăn chín nhanh.

Nước sôi khi nào?

Nước sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất bên ngoài. Áp suất là lực ép lên mỗi mét vuông: p = F / S, đơn vị pascal (Pa), 1 kPa = 1 000 Pa.

Nhiệt độ càng cao, các phân tử nước càng dễ bứt ra thành hơi, nên áp suất hơi càng lớn. Ở mực nước biển, áp suất không khí là khoảng 101 kPa, và áp suất hơi của nước đạt đúng giá trị đó ở 100 °C. Nên nước sôi ở 100 °C.

Lên núi cao, không khí loãng, áp suất thấp hơn, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Ở độ cao 3 000 m (áp suất khoảng 70 kPa), nước sôi ở khoảng 90 °C. Fansipan cao 3 143 m, nên nước trên đỉnh sôi ở khoảng 89–90 °C. Đà Lạt cao khoảng 1 500 m, nước sôi ở khoảng 95 °C (số nội suy từ bảng độ cao).

Vì thế luộc trứng trên núi lâu chín hơn.

Nồi kín làm nước sôi nóng hơn

Sơ đồ nồi áp suất: hơi nước bên trong, van trên nắp, các áp suất tác dụng lên van

Mũi tên đỏ: áp suất hơi bên trong nồi, khoảng 200 kPa.

Mũi tên xanh: áp suất không khí bên ngoài, khoảng 101 kPa.

Mũi tên cam (trên): trọng lượng của van chia cho diện tích lỗ van, khoảng 99 kPa.

Mũi tên cam (dưới): nhiệt từ bếp truyền vào nồi.

Nắp nồi áp suất khoá kín, nên hơi nước sinh ra không thoát ra ngoài. Hơi tích lại, áp suất trong nồi tăng, và nước chỉ sôi khi áp suất hơi của nó đuổi kịp áp suất đó. Muốn vậy nước phải nóng hơn 100 °C.

Áp suất không tăng mãi: khi đủ lớn để nâng cái van lên, hơi sẽ xì ra. Van nặng bao nhiêu thì áp suất tối đa được đặt ở mức đó.

Nồi gia dụng thường chạy ở áp suất dư khoảng 80–100 kPa. "Áp suất dư" là phần lớn hơn áp suất khí quyển. Cộng thêm 101 kPa bên ngoài, áp suất tuyệt đối trong nồi khoảng 180–200 kPa, và nước sôi ở khoảng 117–121 °C.

Đồ thị nhiệt độ sôi của nước theo áp suất, với ba điểm: núi cao 3 000 m, mực nước biển, trong nồi áp suất

Đường xanh: nhiệt độ sôi của nước theo áp suất tuyệt đối.

Chấm tím: mực nước biển, 101 kPa, sôi ở 100 °C.

Chấm xanh lá: núi cao 3 000 m, khoảng 70 kPa, sôi ở khoảng 90 °C.

Chấm đỏ: trong nồi áp suất, khoảng 200 kPa, sôi ở khoảng 120 °C.

Thử ước lượng bằng số

Nóng hơn thì thức ăn chín nhanh hơn, vì các phản ứng làm mềm thịt và hồ hoá tinh bột chạy nhanh hơn khi nhiệt độ cao. Một quy tắc gần đúng hay dùng: cứ tăng 10 °C, tốc độ phản ứng tăng khoảng 2 lần. Đây chỉ là quy tắc kinh nghiệm, đúng trong khoảng nhiệt độ hẹp, không phải định luật.

  • Nồi hở: 100 °C. Nồi áp suất: khoảng 120 °C, hơn 20 °C.
  • Số lần tăng tốc độ: 2 × 2 = 4, vì 20 °C gồm hai khoảng 10 °C.
  • Thực tế thời gian chỉ giảm ít hơn thế, vì còn mất thời gian đun cho nồi đạt áp suất và xả hơi lúc cuối.

Lực ép lên nắp cũng đáng nể. Nắp bán kính 10 cm có diện tích S = π × 0,1² ≈ 0,031 m². Áp suất dư 100 kPa cho lực F = p × S ≈ 100 000 × 0,031 ≈ 3 100 N. Đó là trọng lượng của vật nặng khoảng 310 kg. Vì vậy nắp phải có khoá và van an toàn.

Van cũng tính được. Lỗ van đường kính 3 mm có S ≈ 7 × 10⁻⁶ m². Để giữ áp suất dư 99 kPa, van nặng khoảng 99 000 × 7 × 10⁻⁶ ≈ 0,7 N, tức cỡ 70 g. Đây là số minh hoạ, mỗi hãng chọn cỡ van khác.

Tự thử ở nhà

Đừng tự thử với nồi áp suất thật. Thí nghiệm an toàn dưới đây cho thấy chiều ngược lại: giảm áp suất thì nước sôi ở nhiệt độ thấp.

Cần một ống tiêm nhựa 10–20 mL không có kim và cốc nước ấm khoảng 45–50 °C (ấm tay, không bỏng). Nhờ người lớn pha nước ấm, không dùng nước sôi.

  1. Hút khoảng 5 mL nước ấm vào ống tiêm. Dốc đầu ống lên, đẩy pít-tông để đuổi hết không khí ra.
  2. Đậy chặt nắp vào đầu ống tiêm. Không bịt bằng ngón tay vì khi kéo mạnh ống sẽ hút da của em.
  3. Kéo mạnh pít-tông ra, giữ yên vài giây, rồi nhìn vào nước.
  4. Em sẽ thấy bọt nhỏ nổi lên trong nước như đang sôi, dù nước chỉ ấm. Một phần bọt là không khí tan trong nước thoát ra.

Vì sao? Kéo pít-tông làm thể tích tăng, áp suất trong ống giảm rất thấp, thấp hơn nhiều so với 101 kPa. Chỉ cần áp suất hơi của nước ấm bằng áp suất đó là nước sôi. Nồi áp suất làm ngược lại: tăng áp suất để nước phải nóng hơn mới sôi.

Hiểu lầm hay gặp

  • ❌ Nồi áp suất làm nước sôi mạnh hơn. → ✅ Nước vẫn sôi bình thường, chỉ là sôi ở nhiệt độ cao hơn.
  • ❌ Trên núi cao nước sôi sớm nên nấu chín nhanh hơn. → ✅ Nước sôi sớm vì sôi ở nhiệt độ thấp hơn, nên thức ăn lại lâu chín hơn.

Em đã học ở đâu?

Nghĩ tiếp

Vì sao khi mở nắp nồi áp suất, em phải xả hết hơi trước, nếu không nước trong nồi sẽ sôi bùng lên?

Gợi ý: khi áp suất đột ngột giảm về 101 kPa, nước đang ở khoảng 120 °C còn nóng hơn nhiệt độ sôi mới. Nước sẽ làm sao?

Nguồn

← Xem tất cả bài viết