圧力鍋の仕組みとは?徹底解説!

2018年11月4日身の回りの科学

前回、電子レンジでゆでたまごをしたらどうなるか?という記事を書きました。

まだ読んでない方は⇩

是非、読んでみてください。

そしてなんですが、私はその中で「圧力がかかると水の沸点が高くなり、100℃でも水が沸騰しない」と言いました。

まさにこれを利用し、100℃よりも高い温度で、調理することができるのが圧力鍋なのです。

では何故、圧力がかかると水の沸点が高くなるのでしょうか?

そもそも気体とはどういう状態なのか?説明していきましょう。

1.物質の三態

物質には、『気体』『液体』『個体』という誰でも知っている物質の三態と呼ばれる状態があります。

それぞれを分子同士で状態を見比べた時、以下の様になります。

個体:分子同士の結びつきが強い状態

液体:分子同士に力は働いているが、移動できる状態

気体:ほとんど分子同士に力は働いておらす、自由に動き回れる状態

では、一番イメージがわきやすい水分子でそれぞれを考えてみましょう。

水分子の気体の状態は水蒸気ですよね。

水蒸気では水分子が空気中を自由に動き回っている状態になります。

次は液体はどうでしょうか?

水分子の液体の状態とは、もちろん私たちが生きるためには欠かせない水の状態ですよね。

水分子はお互いにくっ付いていますが、ある程度自由な状態にあります。

お風呂に入る時も、水道から出てくる水も流体でさらさらしており、氷の様にカチカチではありませんよね!

最後に水分子の個体の状態、つまり氷はどうでしょうか?

氷では水分子がしっかりと結びついているので、かちかちですよね!

このように分子の結びつきによって個体、液体、気体のような3つの状態を生み出しているのです。

2.圧力と状態の関係

では、次は圧力との関係について考えてみます。

地球には大気がありますよね。

私たちが生きることができるのも酸素や二酸化炭素などを含む大気があるからです。

つまり、地面の上に沢山の空気があるので、その分重さがのしかかってくるんです。

空気にはほとんど質量がありませんが、どんなに軽い人でもたくさん乗ってこられたら、めちゃくちゃおもいですよね?

イメージとしてはこういうことであり、よく聞くかもしれませんが、なんと頭の上には100 kgもの空気がのっているのです。

そして、海面での大気による圧力、つまり重さを1気圧と言います。

この1気圧の時、水が水蒸気に変わる温度は100℃ですよね。

つまり、1気圧の時、水の沸点は100℃であるということになります。

また、1気圧の時、水が氷に変わるのは0℃です。

同じように、1気圧の時、水の凝固点は0℃ということですよね。

では、1気圧ではなく圧力が変化するとどうなるでしょうか?

実は気圧の大きさによって、沸点や凝固点は変化してしまうのです。

なぜなら、圧力がかかるということは、空気に上から抑えつけられるということです。

もし、空気による圧力の力が強くなれば、より大きいエネルギーをもつ気体にはなりにくくなりますし、エネルギーが小さい個体にはなり易くなるのです。

また、逆に空気による圧力が弱ければ、気体になり易いと言うことができますね。

このように1気圧での水の沸点は、100度であり、空気による圧力の変化で温度は変わるということを頭に入れて、圧力鍋に戻りましょう。

圧力鍋の仕組みが、もうなんとなくわかったのではないでしょうか?

3.圧力鍋のしくみ

普通の鍋に水を入れて熱すると100℃で水は沸騰し、水蒸気へと変わることでどんどん空気中へと水分子が出ていきますよね。

一方で、圧力鍋ではどうでしょう?

きっちりと蓋で密閉されているので、水分子が空気中に出たくても出られない。

抑えつけられているので、自由に動き回れない状態という状況になります。

そうすると鍋の中の気圧がどんどん上昇、水の沸点も上昇し、沸騰しにくくなります。

抑えつけられてるので、液体の状態から気体になりたくても気体になれないということです。

このように大気圧よりもさらに抑えつけられることで、沸点を高くすることができるんですね!

しかし、あまりにも気圧が高くなりすぎても鍋が耐えきれなくなり爆発する危険があるので、ある程度の力がかかれば持ち上がって水蒸気を逃がし、圧力を調節する重りもついています。

ゆでたまごみたいに爆発しちゃうと大変なことになりますよね。

抑えつけられた水分子たちが、重りを持ち上げて外に逃げることで、ある程度圧力を調節しているというわけです。

つまり、圧力鍋は鍋の中の圧力を上げ、水を沸騰しにくくすることで、普通の鍋よりも高温で調理することが可能になるわけです。

高温で煮込むことができるので、長時間かかる料理もパッとできてしまうのも圧力鍋の大きなメリットですよね!

4.山のうえで圧力鍋

先ほど1気圧は、海面での大気の重さといいました。

つまり、海面より高いとこへ行けば行くほど気圧はどうなるでしょう。

そうです!

気圧は低くなります。

何故なら上にのっている空気が少なくなるからです。

つまり、高い山で水を沸騰させると、100℃に到達する前に気体へと変わってしまうわけです。

それは、地表よりも空気からの抑えつけが弱いからです。

100℃に満たないということは食料を十分に温めることができないといえます。

きちんと温めれていなければ、菌が死んでなかったりする可能性があるので危険ですよね。

なので、登山者は圧力鍋を持っていき、調理したりするのです。

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4.さいごに

山の上や飛行機へお菓子の袋をもっていく実験がよくされていますよね。

ぱんぱんに膨らんだお菓子の袋をみたことがあると思います。

これも同じで、高い山や飛行機では、当然高度が上がるため大気圧が弱くなります。

すると、地表よりも袋を抑える力が弱くなり、お菓子の袋は内側から押されぱんぱんに膨らむというわけです。

空気の力って意外とすごいですよね!

ぜひ、山に登るときや飛行機に乗るときには、お菓子の袋を持っていってみましょう。

また、山では圧力鍋が役に立つので、登山には必ず圧力鍋を携帯すべきですね!!