饺子总在锅里“气炸”？也许得补补传热学啦

无论在五湖四海，

饺子在节日或节日餐桌上，

必不可少的一样。

如果煮好的饺子饱满完整，

便Q弹喜人，

但一旦煮破，

它就像一件破碎的艺术品，

令人唏嘘。

饺子为什么要煮？

加冷水的小窍门科学吗？

要解决这些疑惑，

让我们从传热的角度来看，

科学地煮饺子。

传热的基本方法

说到传热，首先要介绍三种的三种基本方法:热传导、热对流和热辐射。

热传导

热传导主要用于固体或固体之间的传热，是指通过分子、原子、电子等微粒子完成传热的过程，而不发生相对运动。例如，在煮饺子的过程中，子皮中的热传导、饺子皮与馅料接触时的相互传热都属于热传导。

傅里叶定律(又称导热基本定律)一般描述热传导问题，即热流密度满足

其中Φ热流代表单位时间流过的热量，单位为W。A代表面积，自然可以看出热流密度q代表单位时间流过单位表面积的热量。dt和dx分别是温差和距离微元。λ导热系数由材料的属性决定，单位为W/(m·K)。

我们可以从表达式中看到三个主要信息:(1) 热量从高温区传递到低温区；(2) 温度变化越剧烈，传热越快；(3) 传热速度受材料性质(导热系数)的影响λ影响不同)。

在煮饺子的问题上，我们可以简单比较锅壁(铁/不锈钢)、水、饺子皮和饺子馅的导热系数，其中皮和馅分别用含水量12%的小麦面粉和一些肉代替。

不同物体的导热系数 | 数据：参考资料[2]-[4]

不难发现，作为一种金属制品，锅比其他物体有两个数量级的导热系数，这就是为什么金属勺应该配备非金属把手，以避免导热过快造成的烫伤。

热对流

当流体（液体或气体）存在时，发生热对流，是指流体各部分相对运动时冷热部分混合引起的热传递。由于内部分子也在进行热运动，热对流也伴随着热传导。

虽然热对流发生在液体内部，但在实际应用中，表面和表面传热时，在实际应用中更为常见。为了区分后者，它被称为对流传热。在煮饺子的过程中，对流传热模型可以应用于水与锅、水与饺子皮之间的传热模式。

牛顿冷却公式可以描述上述流体在物体表面换热的对流传热模型，并写作

Q仍然是热流密度，Δt代表物体表面与流体之间的温差。比例系数h称为表面传热系数(也称为对流传热系数)，单位为W/(m2·K)。由于表面传热系数涉及到流体与物体表面之间的传热，不仅与物体表面的特征（如材料、形状、尺寸）有关，还与物理性质（如导热系数、热容量）甚至流速有关。

对流可分为自然对流和强制对流两个原因。

自然对流是由各部分温差引起的密度差驱动的流动。例如，当饺子煮熟，水不沸腾时，锅底附近的水加热后密度会降低，从而流向水面，上水温较低，密度较大，倾向于移动到锅底，形成自然对流。

强制对流是在水泵或其他压差的情况下产生的流动。例如，用勺子搅拌锅中的水也会导致水流。

热辐射

热辐射是指各种物体因热而自发辐射电磁波释放能量的现象。当电磁波辐射到其他物体时，它会在一定程度上被吸收。辐射和吸收共同构成辐射传热。当系统达到动态平衡时，每个物体吸收与辐射相同的热量。

在讨论辐射问题时，一个理想的研究对象是一个被称为绝对黑体的物体，它的特点是吸收所有照射到表面的电磁波。这种物体的吸收能力是最大的，显然实现动态平衡时，它的辐射能力也是最大的。黑体单位时间辐射的能量由斯特藩-玻尔兹曼定律揭示：

A是辐射面积，T是黑体的温度。σ黑体辐射常数为5.67×10-8W/(m2·K4)。实际物体与绝对黑体辐射的比例系数相差ε，即

该比例系数称为物体的发射率（也称为黑度）。值得注意的是，热辐射的能量明显受到温度的影响，因此当没有高温物体时，热辐射通常被忽视。

在煮饺子的过程中，火焰是完全或部分燃烧的气体，温度较高。以天然气炉为例，其温度一般可达1000-15000K因此，它可以产生明显的热辐射现象。然而，火焰本身作为一种流体，也可以通过热对流传热到锅底。一般来说，后者起着主要的加热作用。

看到这里，你觉得盘子里的饺子其实散发着物理光吗？毕竟，煮饺子是火焰的热量。它经历了火焰与锅之间的对流传热和辐射传热、锅壁内的热传热、锅壁与水的对流传热、水内的热对流传热、水与饺子皮的对流传热、饺子皮与饺子馅的热传热，最终将饺子煮熟。(如果觉得不物理，可以不喘气读上面这句话。）然而，我们仍然忽略了重要的一部分，那就是饺子里的空气。

不要把空气当空气

读者问：饺子里有空气很重要吗？

答案就在下面。

读者继续阅读推送，小编继续吃饺子。

——中二所外传·传热篇》

首先，饺子里的空气是饺子煮熟时漂浮的重要原因之一。因为饺子不可避免地会包裹一些空气，当饺子不断加热时，内部空气也会加热和膨胀。这将导致原来的饺子在锅底的总体积增加，浮力增加，直到浮力可以克服自己的重力浮到水面。