餃子總在鍋裏“氣炸”？也許得補補傳熱學啦_風聞

今天是新春佳節，

想必大家已經貼好春聯，

換上新裝，

準備去親友家裏拜年。

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。

為什麼餃子會煮破？

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。

編輯 | 雲開葉落

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或者固體間的傳熱，是指當材料各部分不發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，都屬於熱傳導。

對於熱傳導問題，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，於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分別是温度差和距離微元。λ為導熱係數，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) 熱量由高温區向低温區傳遞；(2) 温度變化越劇烈，傳熱越快；(3) 傳熱的速度受到材料性質（導熱係數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/不鏽鋼）、水、餃子皮兒和餃子餡兒的導熱係數，其中皮兒和餡兒分別用含水量12%的小麥麪粉以及部分肉類代替。

不同物體的導熱係數 | 數據：參考資料[2]-[4]

對比不難發現作為金屬製品的鍋有着比其他物體大兩個數量級的導熱係數，這也是為什麼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。由於內部分子也在進行熱運動，因此熱對流也伴隨着熱傳導。

雖然熱對流是發生在液體內部的，但是當液體流經物體表面與表面發生熱量傳遞的過程在實際應用中更常見，為了加以區分後者稱為對流傳熱。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

對流依據產生流動的原因可以分為兩種：自然對流和強制對流。

自然對流是由於各部分温度差異引起的密度差異驅動的流動。比如在煮餃子且水未沸騰時，接近鍋底的水被加熱後密度會降低，從而向水面流動，而上層的水温度較低而密度較大，傾向於向鍋底運動，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生的流動，比如用勺子攪動鍋裏的水，也會引起水的流動。

熱輻射

熱輻射是指由於熱的原因，各種物體自發輻射電磁波從而放出能量的現象。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，其特徵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：

2

別把空氣真當“空氣”

讀者問曰：“餃子裏有空氣很重要麼？”

小編答曰：“答案就在下面。”

讀者繼續閲讀推送，小編繼續吃餃子。

——《中二所外傳·傳熱篇》

先講個題外話，餃子裏面的空氣就是餃子煮熟會上浮的重要原因之一。由於包餃子難免會將部分空氣包在裏面，當餃子被不斷加熱，內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係到兩件事：一是為什麼為了將餡兒煮熟需要加涼水，二是為什麼有時候餃子會煮炸（誒！？不是學不好傳熱氣炸的麼？）。

首先看第一件事，關鍵在於熱量的傳遞總是先到達餃子皮兒，再向內部傳到餃子餡兒，因此皮兒往往很快就熟了，餡兒卻不一定。剛剛已經提到，隨着加熱，餃子會被內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，變為了通過與空氣層的對流換熱再傳到餡兒。直觀上，增加了環節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。

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

沒想到吧，

煮餃子有這麼多學問呢~

瞭解了背後的原理，

今年過年煮的餃子，

每一個都要完整飽滿呀！

值此佳節，

再次祝各位讀者新春快樂！

既然學到了這麼多知識，

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]常用材料導熱係數 (gkzhan.com)

[3]導熱係數_百度百科 (baidu.com)

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

[5]天然氣灶火焰温度_百度知道 (baidu.com)

本文經授權轉載自微信公眾號“中科院物理所”，部分插圖及元素來源於千庫網。

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