咖啡壶的水为什么往上涌

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公司的摩卡壶广告

张宇宁

常见的咖啡壶中意式摩卡壶是一种，它最大的特性是简单便利易于操作，相对而言居家使用很适宜，还能够制作出有着类似浓缩咖啡般味道的咖啡。意式摩卡壶是被意大利人阿方索·比亚莱蒂在1933年发明且制造出来的，直到现在在市面上售卖的摩卡壶大体上外观模样和早期的相似。

当进行咖啡制作之时，水被放置在壶的底部空间，其四周设有密封圈，以此来防止水从周边溢出，而且在研磨完毕之后的咖啡粉，会放置于上部呈漏斗型的一个容器当中，并且借助中间的一个管道与下部的水相连接，在装填完成以后，由于水处于低处，所以并不会和咖啡粉进行混合，摩卡壶的工作原理便是如此 。

而后借助发热器具或者燃气炉灶针对装有咖啡粉的壶具底部予以加热，随着这种加热行为的持续推行，位于底部的水体先是渐渐受热随后达到沸点进而汽化成气态转而变成蒸汽，这一蒸汽以持续不断的状态经由壶具中途部位的那根管道径直进入研磨成粉状的咖啡之中，并且进一步朝着上方流动经由壶具的喷嘴位置最终流出以此进入到壶具的上部区域，等到这样一个过程圆满结束之后，一杯滋味美妙的咖啡就此制作成功了。

就制作咖啡的进程而言，为何水能够克服重力持续地向上涌入呢？此中的道理得从流体的压强着手进行讲述。

1647年，法国那边的数学家布莱斯·帕斯卡发现了，对于平常的像水这样的流体来讲，系统里任何一点的压力要是改变了，那就能够马上传递到流体里的任何一个部位。换一种说法来讲，对流体施加的压强会快速且以同等程度向流体的四面八方去进行传播。在重力场当中，水中两个点之间存在的压力差等于水的密度乘上重力加速度然后再乘上这二者之间的高度差。

在1971年，举办了第十四届度量衡大会，此次大会是为了纪念帕斯卡的贡献，于是把压强的单位用帕斯卡的名字来命名，而这就是我们在中学物理课本里已经熟知的单位“帕”（Pa）的出处了。

在针对上述原理的情形下而言，我们能够运用“帕斯卡水桶实验”来对其予以简单的阐释说明。于实验付诸实施的进程期间，会把一个具备一定长度的管道插入放置到圆形木桶之内。假定存在一个人，从管道的上方持续不断地朝着管道里注入水，从而致使管道自身的内部始终保持着充满水的状态 。

首先，我们针对桶内若干特征点的压强展开分析，取桶中管道外部水面上的任意一点，将其标记为A点，由于该点与大气接触，所以其压力为一个大气压咖啡壶的水为什么往上涌，接着取与A点处于同样高度的管道中的一点，把该点标记为B点，依据流体静压强公式，此点的压力等于一个大气压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，并且管道内部的B点压强较高，所以管道中的水会持续不断地向木桶中流入，进而桶中的水会持续升高并最终溢出。要是呀，桶处于封闭状态，那么呢，桶里面流体的静压强它就会高超多，明显高于桶外部的压强，进而促使水桶因为内外受力不均衡，最终导致出现开裂的情况 。

现在，我们运用上述原理，简单扼要地解释一下，使用咖啡壶制作咖啡的过程。在此，为了让讨论更为便利，我们假定咖啡制作过程是一个准静态过程，也就是说，要忽略蒸汽等流体的瞬间变化情况。在加热之前，于同一水平线下，管道里的水的压力，由于和管道外部的压力相同，所以不存在流动现象。当咖啡壶被加热之时，水会渐渐汽化，进而产生蒸汽。因为壶的下部空间采用了密封圈来进行密封，随着蒸汽的不断增加，下部空间中气体的压力持续地升高。

这时，气体压力持续驱使流体朝上涌入；产生的蒸汽越多，流体朝上涌入的速度就越猛烈；在此进程里，部分蒸汽也掺和进水中一同进入上部空间的咖啡里；这些流体经过咖啡时会把咖啡溶解并将其中油脂进行迅速的萃取，接着经由顶部的喷嘴持续流入到上部的容器内；借助此过程，一杯浓郁的、饱含油脂的咖啡就制作好了；咖啡机的原理跟这相似 。有不同之处，是为了能进一步去萃取咖啡的油脂，还为了提升咖啡的口感，咖啡机在蒸汽产生以后，采用泵来对蒸汽作进一步的压缩，以此将压力提升到9至15个大气压，进而达成更高的咖啡品味。

实际上，在我们平常的生活里，有好多司空见惯的现象之中蕴藏着科学的道理，就像在游泳池那种环境下，当潜入水底（假定水深到了2米）的时候，依据流体原理，这时我们的耳朵所承受的压力相较于在空气中的时候增加了大约0.2个大气压，在这样的压差作用之下，要是没有防护措施，怪不得耳朵常常会有水进去了。

有本科学历之人能够多多试着把知识跟实际相互结合起来，这般去做不但对基本概念的理解存在帮助，而且便利深入地学习以及领会崭新的知识。像，近些年我们国家于深海潜水器范畴有着诸多突破，当中蛟龙号载人潜水器的最大下潜深度已然抵达7000多米。依据流体静压强的原理，该水深状况下的压强大约是700个大气压。基于以上这样的认识，能够想象出此种极端压力会给潜水器的承压性能带来何等大的挑战。

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