饺子总在锅里“气炸”？也许得补补传热学啦 2022除夕NewYear'sEve今天是除

2022除夕
NewYear'sEve
今天是除夕佳节，
想必大家已经贴好春联，
换上新装，
准备去亲友家里拜年。
或者正围坐在餐桌边，
吃上一顿热气腾腾的团圆饭。
无论在五湖四海，
饺子都是新年餐桌上，
必不可少的一样。

文章图片
煮好的饺子若饱满完整，
便Q弹喜人，
可是一旦煮破，
便像是打碎的艺术品，
令人唏嘘。

文章图片
为什么饺子会煮破？
加凉水的小妙招是否科学？
为了解决这些疑惑，
让我们从传热学的视角，
科学地煮一次饺子。
1
传热的基本方式
讲到传热，首先要介绍一下传热的三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。
热传导
热传导主要针对固体内或者固体间的传热，是指当材料各部分不发生相对运动而通过分子、原子、电子等微观粒子完成传热的过程。比如在煮饺子的过程中，热量在锅壁内的传导、在饺子皮中的传导，以及当饺子皮儿与馅儿接触时相互的传热，都属于热传导。

文章图片
对于热传导问题，一般用傅里叶定律（又称导热基本定律）描述，即热流密度满足

文章图片
其中Φ热流量，代表单位时间流过的热量，单位为W 。 A代表面积，于是很自然地可以看出，热流密度q代表单位时间流过单位表面积的热量。 dt和dx分别是温度差和距离微元。 λ为导热系数，是材料的属性决定的，单位为W/(m·K) 。
从该表达式中我们可以看出三点主要的信息：(1)热量由高温区向低温区传递；(2)温度变化越剧烈，传热越快；(3)传热的速度受到材料性质（导热系数λ不同）的影响。
在煮饺子的问题中，我们可以简单对比锅壁（铁/不锈钢）、水、饺子皮儿和饺子馅儿的导热系数，其中皮儿和馅儿分别用含水量12%的小麦面粉以及部分肉类代替。

文章图片
不同物体的导热系数|数据：参考资料[2]-[4]
对比不难发现作为金属制品的锅有着比其他物体大两个数量级的导热系数，这也是为什么金属的勺子都要配上非金属的把手，就是避免导热过快造成的烫伤。
热对流
热对流则发生在有流体（液体或气体）存在时的情况，指流体各部分之间相对运动时冷热部分掺混引起的热量传递。由于内部分子也在进行热运动，因此热对流也伴随着热传导。
虽然热对流是发生在液体内部的，但是当液体流经物体表面与表面发生热量传递的过程在实际应用中更常见，为了加以区分后者称为对流传热。在煮饺子的过程中，水与锅之间、水与饺子皮儿之间的传热方式都可以应用对流传热的模型。

文章图片
上面提到的流体在物体表面换热的对流传热模型可以用牛顿冷却公式描述，写作
其中q仍为热流密度， Δt代表物体表面与流体的温差。比例系数h称为表面传热系数（也称作对流换热系数），单位是W/(m·K) 。由于表面传热系数涉及流体与物体表面间的传热，因此不仅与物体表面的特征有关（比如材质、形状、大小），也与流体的物理性质（如导热系数、热容量）甚至流速有关。