2022除夕

New Year's Eve

今天是除夕佳節(jié)，

想必大家已經(jīng)貼好春聯(lián)，

換上新裝，

準備去親友家里拜年。

或者正圍坐在餐桌邊，

吃上一頓熱氣騰騰的團圓飯。

無論在五湖四海，

餃子都是新年餐桌上，

必不可少的一樣。

煮好的餃子若飽滿完整，

便Q彈喜人，

可是一旦煮破，

便像是打碎的藝術品，

令人唏噓。

為什么餃子會煮破？

加涼水的小妙招是否科學？

為了解決這些疑惑，

讓我們從傳熱學的視角，

科學地煮一次餃子。

1

傳熱的基本方式

講到傳熱，首先要介紹一下傳熱的三種基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。

熱傳導

熱傳導主要針對固體內(nèi)或者固體間的傳熱，是指當材料各部分不發(fā)生相對運動而通過分子、原子、電子等微觀粒子完成傳熱的過程。比如在煮餃子的過程中，熱量在鍋壁內(nèi)的傳導、在餃子皮中的傳導，以及當餃子皮兒與餡兒接觸時相互的傳熱，都屬于熱傳導。

對于熱傳導問題，一般用傅里葉定律（又稱導熱基本定律）描述，即熱流密度滿足

其中Φ熱流量，代表單位時間流過的熱量，單位為W。A代表面積，于是很自然地可以看出，熱流密度q代表單位時間流過單位表面積的熱量。dt和dx分別是溫度差和距離微元。λ為導熱系數(shù)，是材料的屬性決定的，單位為W/(m·K)。

從該表達式中我們可以看出三點主要的信息：(1) 熱量由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞；(2) 溫度變化越劇烈，傳熱越快；(3) 傳熱的速度受到材料性質(zhì)（導熱系數(shù)λ不同）的影響。

在煮餃子的問題中，我們可以簡單對比鍋壁（鐵/不銹鋼）、水、餃子皮兒和餃子餡兒的導熱系數(shù)，其中皮兒和餡兒分別用含水量12%的小麥面粉以及部分肉類代替。

不同物體的導熱系數(shù)?|?數(shù)據(jù)：參考資料[2]-[4]

對比不難發(fā)現(xiàn)作為金屬制品的鍋有著比其他物體大兩個數(shù)量級的導熱系數(shù)，這也是為什么金屬的勺子都要配上非金屬的把手，就是避免導熱過快造成的燙傷。

熱對流

熱對流則發(fā)生在有流體（液體或氣體）存在時的情況，指流體各部分之間相對運動時冷熱部分摻混引起的熱量傳遞。由于內(nèi)部分子也在進行熱運動，因此熱對流也伴隨著熱傳導。

雖然熱對流是發(fā)生在液體內(nèi)部的，但是當液體流經(jīng)物體表面與表面發(fā)生熱量傳遞的過程在實際應用中更常見，為了加以區(qū)分后者稱為對流傳熱。在煮餃子的過程中，水與鍋之間、水與餃子皮兒之間的傳熱方式都可以應用對流傳熱的模型。

上面提到的流體在物體表面換熱的對流傳熱模型可以用牛頓冷卻公式描述，寫作

其中q仍為熱流密度，Δt代表物體表面與流體的溫差。比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（也稱作對流換熱系數(shù)），單位是W/(m·K)。由于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)涉及流體與物體表面間的傳熱，因此不僅與物體表面的特征有關（比如材質(zhì)、形狀、大?。才c流體的物理性質(zhì)（如導熱系數(shù)、熱容量）甚至流速有關。

對流依據(jù)產(chǎn)生流動的原因可以分為兩種：自然對流和強制對流。

自然對流是由于各部分溫度差異引起的密度差異驅(qū)動的流動。比如在煮餃子且水未沸騰時，接近鍋底的水被加熱后密度會降低，從而向水面流動，而上層的水溫度和密度較低，傾向于向鍋底運動，形成自然對流。

強制對流則是在有水泵或其他壓力差存在的情況下產(chǎn)生的流動，比如用勺子攪動鍋里的水，也會引起水的流動。

熱輻射

熱輻射是指由于熱的原因，各種物體自發(fā)輻射電磁波從而放出能量的現(xiàn)象。當電磁波輻射到其他物體，又會被一定程度上吸收，輻射和吸收共同構成了輻射傳熱。當體系達到動態(tài)平衡時，每個物體吸收和輻射出的熱量相同。

討論輻射問題時一個理想研究對象是稱為絕對黑體的物體，其特征是可以吸收所有照射到表面的電磁波。這種物體吸收的本領是最大的，顯然在達到動態(tài)平衡時，其輻射能量的能力也是最大的。黑體單位時間輻射出的能量由斯忒藩——玻爾茲曼定律揭示：

其中A是輻射面積，T是黑體的溫度。σ為黑體輻射常數(shù)，數(shù)值為5.67×10W/(m·K)。而實際物體與絕對黑體的輻射相差一個比例系數(shù)ε，即

該比例系數(shù)稱為物體的發(fā)射率（又稱黑度）。值得注意的是，熱輻射的能量顯著地受到溫度的影響，因此當沒有高溫物體存在時，一般忽略熱輻射。

在煮餃子的過程中，火焰是具有較高溫度的正在完全或部分燃燒的氣體，以天然氣灶為例，其溫度一般可以達到1000-1500K左右，因此可以產(chǎn)生明顯的熱輻射現(xiàn)象。然而，火焰本身作為流體，也可以通過熱對流的方式向鍋底傳熱，一般情況下后者起主要的加熱作用。

看到這里，大家是否覺得盤中的餃子其實散發(fā)著物理學的光芒？畢竟煮一次餃子，是火焰的熱量是經(jīng)歷了火焰與鍋之間的對流傳熱與輻射傳熱、鍋壁內(nèi)部的熱傳導、鍋壁與水的對流傳熱、水內(nèi)部的熱對流與熱傳導、水與餃子皮兒的對流傳熱、餃子皮兒與餃子餡兒的熱傳導才最終將我們盤中的餃子煮熟的。（覺得不物理可以不喘氣念一下上面這句話。）但是，我們?nèi)匀缓雎粤酥匾囊画h(huán)，那就是餃子里的空氣。

2

別把空氣真當“空氣”

讀者問曰：“餃子里有空氣很重要么？”

小編答曰：“答案就在下面?！?/p>

讀者繼續(xù)閱讀推送，小編繼續(xù)吃餃子。

——《中二所外傳·傳熱篇》

先講個題外話，餃子里面的空氣就是餃子煮熟會上浮的重要原因之一。由于包餃子難免會將部分空氣包在里面，當餃子被不斷加熱，內(nèi)部的空氣也會受熱膨脹。這會導致原來待在鍋底的餃子總體積變大，受到的浮力變大，直至浮力能克服自身重力便上浮到水面。

其實空氣的存在還關系到兩件事：一是為什么為了將餡兒煮熟需要加涼水，二是為什么有時候餃子會煮炸（誒??？不是學不好傳熱氣炸的么？）。

首先看第一件事，關鍵在于熱量的傳遞總是先到達餃子皮兒，再向內(nèi)部傳到餃子餡兒，因此皮兒往往很快就熟了，餡兒卻不一定。剛剛已經(jīng)提到，隨著加熱，餃子會被內(nèi)部較熱的空氣撐起來，這導致了原來直接接觸的皮兒和餡兒被空氣層隔開。

按照與前面類似的分析，加了空氣層，傳熱便由皮兒和餡兒之間的直接熱傳導，變?yōu)榱送ㄟ^與空氣層的對流換熱再傳到餡兒。直觀上，增加了環(huán)節(jié)應該會降低傳熱的效率，但是究竟影響了多少呢？我們抽象一個理想的模型計算一下。

如圖所示是不存在與存在空氣層的兩種情況，將傳熱簡化為一維模型，認為皮兒和餡兒的厚度恒定，分別為d1和d2，二者的導熱系數(shù)分別為λ1和λ2，兩側(cè)的溫度恒定，分別為T0和T。

情況一界面溫度為Tm。假定情況二空氣層很薄，內(nèi)部溫度達到恒定，為T2，介于皮兒內(nèi)表面與餡兒表面溫度T1和T3之間?？諝馀c皮兒和餡兒的表面換熱系數(shù)分別以h12和h23表示。假定兩個體系分別達到穩(wěn)態(tài)，即各個截面（面積為A）的熱流量Φ一致。由前面的公式，情形一有

情形二有

將兩組等式中的溫度相加，得到關系

因此可得

其中，分母

稱為某個體系的總熱阻，倒數(shù)k1或k2稱為體系總的傳熱系數(shù)?？梢灾庇^地看出，當存在空氣層時，對于有恒定溫差的情況，由于熱阻更大，熱流量減小，這會影響對于餃子餡兒的加熱。

當在滾開的水中加入涼水，可以使得水溫驟降，餃子內(nèi)部的氣體遇冷收縮，餃子皮兒與餡兒重新貼貼，對于餡兒的加熱會更高效地進行。此外，如果一直保持加熱而不加入冷水，加熱效率低，餃子餡兒被長時間加熱的同時餃子內(nèi)部空氣也在不斷被加熱，有可能由于過度膨脹而撐破（氣炸了.jpg）。

為了更加直觀地感受空氣層帶來的影響，我們?nèi)1= 2mm, d2= 1cm, λ1= 0.13W/(m·K)， λ2= 0.45W/(m·K)（純瘦肉餡兒的，饞不？），此外，由于在自然對流情況下空氣的表面換熱系數(shù)在在h=1~10W/(m·K)左右，取h12=h23= 5W/(m·K)。得到

薄薄的空氣層，竟然使得餡兒被加熱的效率降低了一個數(shù)量級！看來學不好傳熱，餃子們真的要氣炸了?。?！

沒想到吧，

煮餃子有這么多學問呢~

了解了背后的原理，

今年過年煮的餃子，

每一個都要完整飽滿呀！

值此佳節(jié)，

再次祝各位讀者新春快樂！

既然學到了這么多知識，

不妨多吃幾個餃子獎勵自己一下吧~

參考資料：

[1]楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(第4版) [Heat Transfer][M]. 高等教育出版社, 2006.

[2]常用材料導熱系數(shù) (gkzhan.com)

[3]導熱系數(shù)_百度百科 (baidu.com)

[4]Bo?iková M. (2003): Thermophysical parameters of corn and wheat flour. Res. Agr. Eng., 49: 157-160.

[5]天然氣灶火焰溫度_百度知道 (baidu.com)

部分插圖及元素來源于千庫網(wǎng)

編輯：云開葉落