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無論在五湖四海，

餃子都是節日或假日餐桌上，

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(wei) 什麽(me) 餃子會(hui) 煮破？

加涼水的小妙招是否科學？

為(wei) 了解決(jue) 這些疑惑，

讓我們(men) 從(cong) 傳(chuan) 熱學的視角，

科學地煮一次餃子。

1

傳(chuan) 熱的基本方式

講到傳(chuan) 熱，首先要介紹一下傳(chuan) 熱的三種基本方式：熱傳(chuan) 導、熱對流和熱輻射。

熱傳(chuan) 導

熱傳(chuan) 導主要針對固體(ti) 內(nei) 或者固體(ti) 間的傳(chuan) 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(chuan) 熱的過程。比如在煮餃子的過程中，熱量在鍋壁內(nei) 的傳(chuan) 導、在餃子皮中的傳(chuan) 導，以及當餃子皮兒(er) 與(yu) 餡兒(er) 接觸時相互的傳(chuan) 熱，都屬於(yu) 熱傳(chuan) 導。

對於(yu) 熱傳(chuan) 導問題，一般用傅裏葉定律（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(wei) W。A代表麵積，於(yu) 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麵積的熱量。dt和dx分別是溫度差和距離微元。λ為(wei) 導熱係數，是材料的屬性決(jue) 定的，單位為(wei) W/(m·K)。

從(cong) 該表達式中我們(men) 可以看出三點主要的信息：(1) 熱量由高溫區向低溫區傳(chuan) 遞；(2) 溫度變化越劇烈，傳(chuan) 熱越快；(3) 傳(chuan) 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(men) 可以簡單對比鍋壁（鐵/不鏽鋼）、水、餃子皮兒(er) 和餃子餡兒(er) 的導熱係數，其中皮兒(er) 和餡兒(er) 分別用含水量12%的小麥麵粉以及部分肉類代替。

不同物體(ti) 的導熱係數 | 數據：參考資料[2]-[4]

對比不難發現作為(wei) 金屬製品的鍋有著比其他物體(ti) 大兩(liang) 個(ge) 數量級的導熱係數，這也是為(wei) 什麽(me) 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(shang) 。

熱對流

熱對流則發生在有流體(ti) （液體(ti) 或氣體(ti) ）存在時的情況，指流體(ti) 各部分之間相對運動時冷熱部分摻混引起的熱量傳(chuan) 遞。由於(yu) 內(nei) 部分子也在進行熱運動，因此熱對流也伴隨著熱傳(chuan) 導。

雖然熱對流是發生在液體(ti) 內(nei) 部的，但是當液體(ti) 流經物體(ti) 表麵與(yu) 表麵發生熱量傳(chuan) 遞的過程在實際應用中更常見，為(wei) 了加以區分後者稱為(wei) 對流傳(chuan) 熱。在煮餃子的過程中，水與(yu) 鍋之間、水與(yu) 餃子皮兒(er) 之間的傳(chuan) 熱方式都可以應用對流傳(chuan) 熱的模型。

上麵提到的流體(ti) 在物體(ti) 表麵換熱的對流傳(chuan) 熱模型可以用牛頓冷卻公式描述，寫(xie) 作

其中q仍為(wei) 熱流密度，Δt代表物體(ti) 表麵與(yu) 流體(ti) 的溫差。比例係數h稱為(wei) 表麵傳(chuan) 熱係數（也稱作對流換熱係數），單位是W/(m2·K)。由於(yu) 表麵傳(chuan) 熱係數涉及流體(ti) 與(yu) 物體(ti) 表麵間的傳(chuan) 熱，因此不僅(jin) 與(yu) 物體(ti) 表麵的特征有關(guan) （比如材質、形狀、大小），也與(yu) 流體(ti) 的物理性質（如導熱係數、熱容量）甚至流速有關(guan) 。

對流依據產(chan) 生流動的原因可以分為(wei) 兩(liang) 種：自然對流和強製對流。

自然對流是由於(yu) 各部分溫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(hui) 降低，從(cong) 而向水麵流動，而上層的水溫度較低而密度較大，傾(qing) 向於(yu) 向鍋底運動，形成自然對流。

強製對流則是在有水泵或其他壓力差存在的情況下產(chan) 生的流動，比如用勺子攪動鍋裏的水，也會(hui) 引起水的流動。

熱輻射

熱輻射是指由於(yu) 熱的原因，各種物體(ti) 自發輻射電磁波從(cong) 而放出能量的現象。當電磁波輻射到其他物體(ti) ，又會(hui) 被一定程度上吸收，輻射和吸收共同構成了輻射傳(chuan) 熱。當體(ti) 係達到動態平衡時，每個(ge) 物體(ti) 吸收和輻射出的熱量相同。

討論輻射問題時一個(ge) 理想研究對象是稱為(wei) 絕對黑體(ti) 的物體(ti) ，其特征是可以吸收所有照射到表麵的電磁波。這種物體(ti) 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(ti) 單位時間輻射出的能量由斯忒藩——玻爾茲(zi) 曼定律揭示：

其中A是輻射麵積，T是黑體(ti) 的溫度。σ為(wei) 黑體(ti) 輻射常數，數值為(wei) 5.67×10-8W/(m2·K4)。而實際物體(ti) 與(yu) 絕對黑體(ti) 的輻射相差一個(ge) 比例係數ε，即

該比例係數稱為(wei) 物體(ti) 的發射率（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(ti) 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(ti) ，以天然氣灶為(wei) 例，其溫度一般可以達到1000-1500K左右，因此可以產(chan) 生明顯的熱輻射現象。然而，火焰本身作為(wei) 流體(ti) ，也可以通過熱對流的方式向鍋底傳(chuan) 熱，一般情況下後者起主要的加熱作用。

看到這裏，大家是否覺得盤中的餃子其實散發著物理學的光芒？畢竟煮一次餃子，是火焰的熱量是經曆了火焰與(yu) 鍋之間的對流傳(chuan) 熱與(yu) 輻射傳(chuan) 熱、鍋壁內(nei) 部的熱傳(chuan) 導、鍋壁與(yu) 水的對流傳(chuan) 熱、水內(nei) 部的熱對流與(yu) 熱傳(chuan) 導、水與(yu) 餃子皮兒(er) 的對流傳(chuan) 熱、餃子皮兒(er) 與(yu) 餃子餡兒(er) 的熱傳(chuan) 導才最終將我們(men) 盤中的餃子煮熟的。（覺得不物理可以不喘氣念一下上麵這句話。）但是，我們(men) 仍然忽略了重要的一環，那就是餃子裏的空氣。

2

別把空氣真當“空氣”

讀者問曰：“餃子裏有空氣很重要麽(me) ？”

小編答曰：“答案就在下麵。”

讀者繼續閱讀推送，小編繼續吃餃子。

——《中二所外傳(chuan) ·傳(chuan) 熱篇》

先講個(ge) 題外話，餃子裏麵的空氣就是餃子煮熟會(hui) 上浮的重要原因之一。由於(yu) 包餃子難免會(hui) 將部分空氣包在裏麵，當餃子被不斷加熱，內(nei) 部的空氣也會(hui) 受熱膨脹。這會(hui) 導致原來待在鍋底的餃子總體(ti) 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麵。

其實空氣的存在還關(guan) 係到兩(liang) 件事：一是為(wei) 什麽(me) 為(wei) 了將餡兒(er) 煮熟需要加涼水，二是為(wei) 什麽(me) 有時候餃子會(hui) 煮炸（誒！？不是學不好傳(chuan) 熱氣炸的麽(me) ？）。

首先看第一件事，關(guan) 鍵在於(yu) 熱量的傳(chuan) 遞總是先到達餃子皮兒(er) ，再向內(nei) 部傳(chuan) 到餃子餡兒(er) ，因此皮兒(er) 往往很快就熟了，餡兒(er) 卻不一定。剛剛已經提到，隨著加熱，餃子會(hui) 被內(nei) 部較熱的空氣撐起來，這導致了原來直接接觸的皮兒(er) 和餡兒(er) 被空氣層隔開。

按照與(yu) 前麵類似的分析，加了空氣層，傳(chuan) 熱便由皮兒(er) 和餡兒(er) 之間的直接熱傳(chuan) 導，變為(wei) 了通過與(yu) 空氣層的對流換熱再傳(chuan) 到餡兒(er) 。直觀上，增加了環節應該會(hui) 降低傳(chuan) 熱的效率，但是究竟影響了多少呢？我們(men) 抽象一個(ge) 理想的模型計算一下。

如圖所示是不存在與(yu) 存在空氣層的兩(liang) 種情況，將傳(chuan) 熱簡化為(wei) 一維模型，認為(wei) 皮兒(er) 和餡兒(er) 的厚度恒定，分別為(wei) d1和d2，二者的導熱係數分別為(wei) λ1和λ2，兩(liang) 側(ce) 的溫度恒定，分別為(wei) T0和T。

情況一界麵溫度為(wei) Tm。假定情況二空氣層很薄，內(nei) 部溫度達到恒定，為(wei) T2，介於(yu) 皮兒(er) 內(nei) 表麵與(yu) 餡兒(er) 表麵溫度T1和T3之間。空氣與(yu) 皮兒(er) 和餡兒(er) 的表麵換熱係數分別以h12和h23表示。假定兩(liang) 個(ge) 體(ti) 係分別達到穩態，即各個(ge) 截麵（麵積為(wei) A）的熱流量Φ一致。由前麵的公式，情形一有

情形二有

將兩(liang) 組等式中的溫度相加，得到關(guan) 係

因此可得

其中，分母

稱為(wei) 某個(ge) 體(ti) 係的總熱阻，倒數k1或k2稱為(wei) 體(ti) 係總的傳(chuan) 熱係數。可以直觀地看出，當存在空氣層時，對於(yu) 有恒定溫差的情況，由於(yu) 熱阻更大，熱流量減小，這會(hui) 影響對於(yu) 餃子餡兒(er) 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(nei) 部的氣體(ti) 遇冷收縮，餃子皮兒(er) 與(yu) 餡兒(er) 重新貼貼，對於(yu) 餡兒(er) 的加熱會(hui) 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(er) 被長時間加熱的同時餃子內(nei) 部空氣也在不斷被加熱，有可能由於(yu) 過度膨脹而撐破（氣炸了.jpg）。

為(wei) 了更加直觀地感受空氣層帶來的影響，我們(men) 取d1= 2mm, d2= 1cm, λ1= 0.13W/(m·K)， λ2= 0.45W/(m·K)（純瘦肉餡兒(er) 的，饞不？），此外，由於(yu) 在自然對流情況下空氣的表麵換熱係數在在h=1~10W/(m2·K)左右，取h12=h23= 5W/(m2·K)。得到

薄薄的空氣層，竟然使得餡兒(er) 被加熱的效率降低了一個(ge) 數量級！看來學不好傳(chuan) 熱，餃子們(men) 真的要氣炸了！！！

沒想到吧，

煮餃子有這麽(me) 多學問呢~

了解了背後的原理，

既然學到了這麽(me) 多星空体育官网入口网站，

不妨多吃幾個(ge) 餃子獎勵自己一下吧~

參考資料：

[1]楊世銘, 陶文銓. 傳(chuan) 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]天然氣灶火焰溫度_百度知道 (baidu***.com)

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