高压锅热平衡以及器件设计

研究表明水的沸点受气压影响，并且气压越高，沸点越高，高压锅基于该原理，不仅使得烹饪时间更短，而且使得饭菜味道更好，因此，在生活中具有广泛的应用。在使用过程中，不知道你是否好奇过高压锅压力为何会升高？高压锅内部是温度升高，进而带动压力升高，还是压力升高驱动温度变化？

本推文主要是希望在器件（热控开关）设计方面提供思路以及启发，特别是后续采用有限元或者分子动力学进行相关分析计算。

No.1

气液动态平衡

高压锅内水与水蒸气之间的动态平衡：外部热源加热作用下，高压锅吸收能量，进而使得温度以及压力升高，与此同时高压锅作为热源，不断向周围散发热量，随着时间的推移高压锅吸收能量以及散发能量逐渐达到平衡状态。

在达到平衡状态后，高压锅内部水吸收热量转换为水蒸气与水蒸气液化过程也处于动态平衡，根据液态水以及水蒸汽与压力之间的关系可知，高压锅内水和水蒸气具有相同的压力以及温度。

压力与水沸点温度之间的关系如图所示，其中P0表示大气压强，从图中可以看出，随着压力的升高，水沸点温度逐渐升高，但是升高的速率越来越慢。

No.2

热辐射

由生活经验可知，温度越高，单位时间内高压锅向外辐射的能量越多，微观角度来说，物体受热后，某些原子（分子）吸收能量处于激发态，进而在自发作用下，能量以电磁波辐射的形式发射出来，进而转换为低能态。研究表明：物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律，辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比：

No.3

安全阀

高压锅从加热源吸收能量（E热源），同时也向外界辐射散热（E辐射），逐渐达到稳定平衡状态，当加热源具有一个扰动（功率升高）时，高压锅吸收的能量增多，进而使得内部水温以及压力升高，于此同时高压锅热辐射的能量也增大，进而随着时间的延长，逐渐达到稳定状态。

当高压锅处于热平衡状态时，高压锅内的温度可从加热源功率近视估算得到，从Stefan-Boltzmann定律可知，当加热源功率较高的时候，高压锅具有很高的温度。

高压锅使用过程中，内部的压力与温度之间的关系如图1所示，从图中可知，温度越高，高压锅内部压力越大，因此，高压锅添加安全阀，进而确保使用者的安全。