有人说,煮饺子的时候,饺子皮上的温度梯度远远大于饺子馅的温度梯度,饺子馅的温度可以认为是均匀的。又有人说,根据加州法律,饺子煮熟时,馅的温度只有77摄氏度。由于饺子的外边是100度的开水,因此,饺子皮上的温差将有23度。至于刚下饺子时,饺子皮的上温差更是高达75度。
如果真是这样,将意味着什么呢?要知道,传热的速度正比于传热温差,如果饺子皮上真有那么大的温差,那么透过饺子皮的传热的速度将非常快,快到(按法律规定)煮熟一个饺子的时间只需不到一分钟!咱们就来具体算算。
首先确定几个基本常数。面团的导热系数等于0.4W/mK。猪腰肉的热容为2.76J/gC,芹菜的热容3.94J/gC,水的热容4.2J/gC。(数据来源
http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-capacity-food-d_295.html)。往大里估,肉馅的热容就算为4kJ/Kg/C好了。饺子馅的密度略大于水,算1.05g/cm^3。
再来确定饺子的尺寸。擀好的饺子皮,算它直径80mm,厚度1mm。那么其面积是50平方厘米。假使有1/4的面积用在了饺子褶上,实际可用传热面积37.5平方厘米。再设饺子馅的大小相当于半径1.5厘米的球,其体积为14立方厘米,重约15克。
好,现在假设饺子皮上的内外温差等于T,那么单位时间(秒)内通过传导方式传入饺子内部的热量为
导热系数 *传热面积* 温差 / 饺子皮厚度 = 0.4 * 37.5e-4 * T / 1e-3 = 1.5T (焦耳)
这些传入饺子内部的热量干什么去了呢?当然是被饺子馅吸收,升高温度了。这些热量能让饺子馅升高的温度为
热量/(馅重*馅热容) = 1.5T / (15 * 4) = 0.025T (摄氏度)
饺子馅的温度升高了,饺子皮上的温差自然就减小了。因为饺子馅的温度均匀,那么饺子皮上的温差减小也将是0.025T。把上面这个分析写成数学公式,就是
dT/dt = -0.025T
这个简单的微分方程的解是T = T0 * exp(-0.025 * t),即温差随时间指数下降。
好,现在饺子馅的初始温度为25度,皮上的初始温差为75度。“加州法定煮饺法”规定饺子馅温度到77度时算煮熟,皮上的终点温差为23度。于是,把饺子“煮熟”所需的时间就等于
t = ln(75/23) / 0.025 = 47秒
哇!一分钟都不到,饺子就熟了!可是太蔟定时六到七分钟后,还可能尝到没熟透的。怎么回事?
原因当然就是假设皮上有那么大的温差极不合理。如果按饺子皮只分担10%左右的温差来算,传热的速度就得降到十分之一,传同样的热量所需的时间就得增加十倍。47秒乘以10,等于7.8分钟,那才是比较合理的估计数字。