本科生科研指南（32）：咖啡壶奥秘

本科生科研指南（32）：咖啡壶奥秘

很多同学朋友都喝过咖啡，咖啡的制作过程也蕴含着很多科学原理。咖啡可以用咖啡壶或咖啡机冲泡。

本文以意大利摩卡壶为例，演示用咖啡壶冲泡咖啡过程中的流体力学原理以及可以从中拓展的一些知识。另外，喜欢游泳，尤其是潜水的朋友，可能有过游泳时耳朵进水的经历。这也和本文介绍的知识有部分关系。

意大利摩卡壶是一种常见的咖啡壶。它最大的特点就是简单方便，更适合家庭使用，可以做出类似浓缩咖啡味道的咖啡。

意大利摩卡壶是1933年由一位意大利人发明制造的。图1为以他的名字命名的公司生产的早期摩卡壶的外观和广告。目前市面上的摩卡壶基本上都和这个很相似。

图1 公司摩卡壶广告

为了便于说明摩卡壶的工作原理，图2进一步示出了摩卡壶的剖视图。煮咖啡的过程中，水被放置在壶的底部空间，周围有密封圈，防止水溢出。

磨好的咖啡粉放在上部的漏斗状容器中，通过中间的管道与下部的水相连。加注后，水不会与咖啡渣混合，因为水位较低。接下来，使用电加热器或燃气灶加热摩卡壶的底部。

随着加热的进行，底部的水逐渐升温沸腾产生蒸汽，蒸汽不断地通过中间管道进入咖啡粉，并进一步通过喷嘴流出进入摩卡壶的上部。一旦这个过程完成，一杯美味的咖啡就准备好了。在这个过程中，为什么水能够继续抵抗重力向上流动呢？让我们从帕斯卡原理开始。

图2 意大利摩卡壶剖面示意图

1647年，法国数学家布莱斯·帕斯卡发现，对于水这样的普通流体来说，系统中任意一点的压力变化可以立即传递到流体的任意部分。换句话说，施加在流体上的压力快速且均匀地传播到流体的所有方向。

从数学上讲，水中两点之间的压力差等于水的密度乘以重力加速度乘以两点之间的高度差。上述发现被称为帕斯卡原理。

为了纪念帕斯卡的贡献，1971年第十四次计量大会上，压力的单位以帕斯卡的名字命名。这就是我们中学课本上已经熟悉的单位“帕”（Pa）的由来。

关于帕斯卡的原理本科生科研指南（32）：咖啡壶奥秘，我们可以用“帕斯卡的水桶实验”（见图3）来简单说明一下。实验过程中，将一根较长的管子插入圆形桶中。

假设一个人从上方不断地向管道中注入水，使管道内部始终充满水。首先，我们利用帕斯卡原理来分析几个特征点处的压力。取桶内管道外水面任意一点（标记为A点）。由于该点与大气接触，因此其压力为一个大气压。

取管道中与A点同一高度的一点（标记为B点）。根据帕斯卡原理，该点的压力等于一个大气压加上管道内水柱高度产生的压力。由于A点和B点之间存在压力差，而管道内B点的压力较高，管道内的水会不断流入桶内，桶内水面不断上升，最终水会溢出。 。

图3 帕斯卡的水桶实验来自Amédée于1872年绘制的图

现在我们用帕斯卡原理来解释一下用咖啡壶泡咖啡的过程。加热前，管道内水的压力与外界同级压力相同，没有流动。当咖啡壶被加热时，水逐渐汽化，产生蒸汽。由于釜的下部空间是用密封圈密封的，随着蒸汽的增加，下部空间的气体压力不断增大。

与“帕斯卡桶实验”中的分析类似，此时管道外的压力大于同一高度管道内流体的压力。此时，两者之间的压力差继续推动流体向上。产生的蒸汽越多，流体流入的速度就越快。在此过程中，部分蒸汽也混入水中，进入上部空间的咖啡中。当这些液体穿过咖啡时，它们会溶解咖啡并快速提取其中的油，然后通过顶部的喷嘴不断流入上层容器。通过这个过程，一杯浓郁、富含油脂的咖啡就诞生了。

咖啡机的工作原理类似。不同的是，为了进一步萃取咖啡的油脂，改善咖啡的口感，咖啡机在产生蒸汽后，利用泵进一步压缩蒸汽，将其压力提高到9-15个大气压，从而达到更高的咖啡浓度。咖啡味道。

从咖啡的制作过程和帕斯卡原理，本科生可以了解以下几点。

观察生活

我们日常生活中的很多常见现象其实都充满了科学真理，比如本文所描述的咖啡制作过程以及其中涉及到的帕斯卡原理。

以此类推，当我们潜入游泳池底部时（假设水深为2米），根据帕斯卡原理，我们耳朵上的压力相对于空气增加了约0.2个大气压。在这种压力差的影响下，如果没有防护措施，水经常进入耳朵也就不足为奇了。

举一反三

在中学课本中，我们已经了解了压力和国际单位帕斯卡。

而且，只要从这个基本概念出发，进一步拓展和学习流体压力的性质、帕斯卡原理、流体静力学等相关知识，你就会对这些基本概念有更深入的理解。

联系现实

本科生在学习过程中可以尝试将知识与实践相结合。这样做不仅有助于他们理解基本概念，而且有利于深入学习和理解新知识。

比如，我国近年来在深海潜水器领域取得了诸多突破。其中，蛟龙号载人潜水器于2012年6月27日创下下潜7062.68米的记录。根据帕斯卡原理，该水深的压力约为700个大气压。基于以上认识，同学们可以想象，这种极压环境会给潜水器的承压性能带来多大的挑战。