餐桌物理學-喝咖啡學物理

餐桌物理學-喝咖啡學物理

目的

瞭解比利時咖啡壺運作時的物理原理,並利用咖啡加奶精的實驗瞭解牛頓冷卻定律。

 

實驗

比利時咖啡壺(也稱維也納咖啡壺),水,酒精燈,咖啡豆磨成粉。

實驗步驟:組合好咖啡壺,加入適量的咖啡粉、和水後點燃酒精燈加熱,最後就是一邊品嚐好咖啡,一邊思考下列現象的問題。

 

原理思考

1.加熱後水為何會從鋼壺流到玻璃壺?

2.酒精燈蓋為何會自動蓋上將火熄滅?

3.當火熄滅後,咖啡為何會從玻璃壺流回鋼壺?

4.打開水龍頭時鋼壺內的咖啡並不會流出,為什麼?

5.「煮完咖啡如果不馬上喝,應該先加奶精還是後加?咖啡的熱度才能維持較久?」裝兩杯溫度相同的熱咖啡,一杯先加奶精,另一杯後加,咖啡時靜置一段時間後,再將奶精加入原本未加奶精的咖啡後,觀察兩杯咖啡的溫度變化。

 

 1.加完水旋緊上蓋後,鋼壺為密閉容器。利用加熱器將鋼壺中的水加熱,水因獲得能量而開始變成水蒸氣,使得鋼壺中的氣壓逐漸增加。當水溫達到沸點時(~100 C),大量的水沸騰變成水蒸氣,使得鋼壺的氣壓很快地超過一大氣壓,而把水從鋼壺推擠到玻璃壺。
2.比利時咖啡壺中央有天平的構造,懸臂一端接著鋼壺,加熱前鋼壺中裝滿了水,使天平向鋼壺這邊傾斜;加熱後,鋼壺中的水流出,鋼壺變輕了,所以天平向另一端傾斜;原先用鋼壺支撐的酒精燈蓋,這時因鋼壺上升而少了支撐,故會自動蓋上。
3. 當火熄滅後,鋼壺的溫度降低,鋼壺中的水蒸氣凝結成水使鋼壺中氣壓低於1大氣壓,因此玻璃壺中水會因為壓差而被推回鋼壺。
4. 此時鋼壺中的氣壓仍略低於大氣壓,因此打開水龍頭時,鋼壺中的咖啡仍不會流出,待打開壺上的進氣閥後使鋼壺內、外氣壓相等後,咖啡才會流出。
5.要回答這個問題有兩點需要考慮:(一)計算兩不同液體混合後的平衡溫度、(二)「熱」的東西冷得快? 還是「冷」的東西冷得快?(牛頓冷卻定律,Newton’s Cooling law;物體溫度下降的速率正比於其與室溫的溫差)。第一點的計算,取決於咖啡及奶精的體積與溫度,然而熱平衡後的溫度一定介於兩者之間。關於第二點、奶精的溫度大約是室溫或低於室溫,所以先加了奶精的咖啡會降到某個溫度,此時未加奶精的咖啡溫度較高。因為「熱」的東西冷得比「冷」的東西快(根據牛頓冷卻定律),所以沒有加奶精的咖啡溫度下降的速率比較快,最後再加入較低溫的奶精後,整體的溫度就比先加奶精的咖啡低了。加上奶精的比熱較咖啡高,所以加入先加奶精的咖啡,溫度的變化也會較緩慢。(說明by朱慶琪)

 

討論

1.當火熄滅後,咖啡從玻璃壺流回鋼壺的現象可否用虹吸管原理解釋?

2.若煮完咖啡後,不將鋼壺上的進氣閥打開,而讓鋼壺靜置半天或較長的時間後再打開水龍頭,咖啡會流出來嗎?

 

關於實驗

1.此咖啡壺為市售商品

2.本實驗可以和塞風式(syphon)咖啡壺比較。

 

參考資料

"「Why toast lands jelly-side down: zen and the art of physics demonstrations」, Princeton University Press, 1997, West Sussex, p113-116" E. Robert

"「On cooling tea and coffee」, Am. J. Phys., 56(5), 1988, p434-437" W. G. Rees, C. Viney
 

實驗設計

朱慶琪

 

指導老師

朱慶琪

 

 撰稿 

蔡昌翰、黃時霖