探究用塑料水杯接开水后水杯“爆炸”的科学原理

1 引言

近日，发生了一件十分蹊跷的事情，一位女同学用塑料水杯接开水后，水杯突然发生“爆炸”，烫伤了自己和同桌。

万幸的是，两位同学的烫伤比较轻微，医生看了伤情，开了药膏，叮嘱她们穿着宽松，饮食清淡，减少运动，按时涂药，不要抓挠。

众所周知，玻璃水杯在接开水时容易发生“爆炸”，这种现象比较常见，可以从受热不均的角度给予解释。但是塑料水杯在接开水后为什么也会发生“爆炸”呢？这种“爆炸”是什么原因导致的？应该如何预呢？

2 科学探究

据当事人介绍，她是在课间用塑料水杯从设置在走廊里的热水器处接了大半杯开水，拧紧杯盖，盖紧饮水口，与平常一样，走进教室，坐在自己的座位上。突然间，饮水口的盖子弹起，随即发出猛烈的爆鸣声，高温蒸汽裹挟着开水快速向外喷射，当事人惊慌失措，慌乱中打翻了水杯，开水从饮水口流出，烫伤了自己和同桌。

肇事水杯

水杯盖子

2.1 数据测量

那么，水杯的气体究竟能产生多大的压力？而顶开盖子又需要多大的压力呢？为了搞清楚这个问题，微主对水杯进行了测量。

杯口直径测量

饮水口直径测量

饮水口最大静摩擦测量

实测发现，水杯杯口直径为62.20毫米，饮水口直径为19.24毫米，饮水口盖子的最大静摩擦力为5.0牛。

2.2 建模分析

为了分析水杯内气压的变化，不妨以开水上方的密闭气体为研究对象，假设水杯没有盛开水之前内部气体的温度为20摄氏度，一个标准大气压强，则在接开水之后，这部分密闭气体在开水的加热下，温度会升高并接近于100摄氏度。

根据查理定律，易得水杯内的密闭气体的压强将会达到1.27个标准大气压。考虑到在温度为20摄氏度下水蒸气的饱和蒸气压很低，可以忽略，而100摄氏度下水蒸气的饱和蒸气压为1个标准大气压，则由道尔顿分压原理可知，密闭空间中的实际气压等于空气加热后的气压与水蒸气饱和蒸气压的代数和，即水杯内达到热平衡之后，开水上方的空间的总压强为2.27个标准大气压，水杯内外的压差高达1.27个标准大气压。

值得注意的是，水杯内外的压差为1.27个标准大气压，其中1个标准大气压的压差由开水气化后的产生的饱和蒸气压提供，其中0.27个标准大气压的压差由接水后密封在水杯内的空气受热升压提供。显然，让水杯爆炸的压差主要是水蒸气的饱和蒸气压贡献的。

根据对水杯各部位的测量数据，可得杯盖受到的向外的压力约为391.91牛顿，其大小相当于质量为39.99千克的物体的重力；饮水口盖子受到的向外的压力约为37.5牛顿，其大小相当于质量为3.83千克的物体的重力。

显然，达到热平衡后，水杯内外气体对饮水口盖子向外的压力37.5牛顿远大于打开饮水口盖子需要克服的最大静摩擦力5.0牛。

3 结论

用塑料水杯接大半杯开水并立即旋紧杯盖、盖紧饮水口盖，水杯内部水汽两相达到热平衡之后，开水上方空气升温升压，开水汽化产生饱和蒸气压，在两者共同作用下，饮水口盖子受到的向外的总压力远远大于它的最大静摩擦力，饮水口盖子被突然弹开，高温蒸汽裹挟着开水向外喷出伤人，并发出猛烈的爆鸣声。

在此次水杯“爆炸”伤人事件中，负主要责任的是水蒸气的饱和蒸气压，负次要责任的是密封气体的升温升压，两者的责任划分比例约为4:1。

4 安全提醒

其实，为了防止开水烫伤学生，也为了防止水杯倾覆弄湿教材或考卷，亦是为了让学生养成认真学习的好习惯，学校是禁止学生将水杯带入教室内的，要求学生将水杯统一摆放在教室外。

为了防止塑料水杯接开水后发生“爆炸”，可以在接开水后，先不将杯盖旋紧，而是留一个小小的缝隙，等水杯内水汽两相达到热平衡后，再盖紧杯盖。这样可以防止水杯内部气压升高，避免高温水汽喷出伤人。

值得庆幸的是，在此次塑料水杯“爆炸”伤人事件中，水杯倾倒，开水外流，烫伤了腿。试想一下，如果是在学生端起水杯喝水的瞬间，水杯饮水口的盖子突然弹起，高温蒸汽裹挟着开水将恰好喷向面部，那就太危险了。

学习和掌握塑料水杯接开水后发生“爆炸”的科学原理，正确使用水杯，规范操作习惯，幸福生活，远离伤害。