饺子总在锅里“气炸”？也许得补补传热学啦

coolboy

问题：锅盖有孔或锅盖与锅之间有隙缝从而水汽可以从孔缝中逃逸。问：当锅内的饺子或食物达到沸点温度之后，到底是开着锅盖还是合上锅盖继续加热会使得锅中的水分会更快地蒸发或收干？为什么？

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答案：我们可以先考虑另一个类似问题的解答。在同一炉子相同条件下加热盛水的锅，到底是开着锅盖还是合上锅盖会使得锅中的水会率先达到沸点？为什么？日常的经验告诉我们当然是合上锅盖烧水会更容易把水烧开。从物理学的角度来分析，开着锅盖与合上锅盖加热锅中的水的热交换过程有相同的条件，也有不同的条件。根据假设，炉子对锅以及之中的水的加热率是相同的。但是锅中的水的冷却率，在开着锅盖与合上锅盖的条件下是有差别的。开着锅盖的水面冷却率由于下面的两个过程要比合上锅盖的冷却率要大：（1）开着锅盖时水表面的直接热辐射要比合上锅盖之后通过锅盖外表面的热辐射要大，（2）开着锅盖时水表面自然蒸发带走的潜热要比合上锅盖之后的要大。在水达到沸点之前，由辐射而引起的冷却率的差异起主要作用。

综合上面的分析，我们得知，给定炉子对盛水的锅的相同的加热率，合上锅盖之后能减少由热辐射而引起的锅的冷却率。由此，由炉子加热而产生的对锅中之水的净加热率（=加热率-冷却率）在合上锅盖的条件下要比开着锅盖时要大。

弄清楚这一点之后，对原问题的解答也就变得简单了。在锅中的水达到沸点之前，炉子加热所输入的热能通过净加热率基本都用于提高锅中的水温的温度，即都转换成的水的内能。由于合上锅盖的净加热率要比开着锅盖的净加热率要大，从而，合上锅盖要比开着锅盖升温快。在水温达到沸点之后，水温无法继续提升。这时炉子所提供的净加热率都用于转换为蒸发所需的潜热所用。此时，基于同一原理，合上锅盖的净加热率也同样是大于开着锅盖的净加热率。由此，相应地，合上锅盖的水的蒸发率大于开着锅盖的蒸发率，即合上锅盖加热会使得锅中的水分会更快地蒸发。


  

coolboy

从上面问题的讨论和解答过程中，我们还能引伸出其它不少类似的有意义的例子。这里先说一下第一个例子。

例子一：不少人可能都听说过牛顿因为树上掉下了苹果而发现了万有引力的故事。另一个类似的故事是说瓦特在小时候常常关注并思考水壶烧开水的过程而导致他后来发明了蒸汽机。关于瓦特的故事，不管是否真实，也不管他当时是否也思考过是开着壶盖还是合上壶盖会更快地把水壶烧干，但这一故事确实出现在我成长年代的小学语文课本中。不管瓦特当时及后来如何思考相关现象及问题，但至少应该会涉及到上面讨论及解答中所提到的两方面的问题：（1）“盖上盖子，盖子内外有明显气压差”---热蒸汽能产生很大的推动力，这是蒸汽机的最基本原理。（2）“净加热率都用于转换蒸发所需的潜热”---水的相变（也）能储存及产生（很大的）热能。

   

coolboy

网友D：这个有意思，不过感觉条件设定不够严谨（统一），如网友A说的是“日常”情况下现象，但分析的时候把那一部分可能屏蔽了～
coolboy：谢谢光临。我在上面一开始的回复中说：“从我自己厨房的经验来看，答案是（B）或（C）。”我说“厨房经验”的时候，就是想着要包括你所想的“日常”的意思，呵呵。
网友D：以我这个物理学渣的想象，盖上锅盖时锅里的气压会降低水蒸发的速度——气压越高，液体蒸发为气体的速度就越低，哈哈，我想象的物理定律～
coolboy：假如沸点温度相同，则水蒸汽的密度正比于气压。此时高气压则需要更大的蒸发量才能产生更大的密度。但沸点是会随气压而变的。如青藏高原上的低气压环境，摄氏70度时，水就开了。可见，气压-密度的思路牵涉太多不定因子，不能给出清晰的解答。还是我的能量守恒的解答思路显得简洁。

coolboy

我的思路就是考察炉子对锅-水系统的“净加热率”的差异。之后再考察这一系统的“净加热率”与“温度变化”或者“净蒸发率”之间的直接关系。从物理原理及逻辑上来讲，很难看出其不妥之处。