羅聲豪，宋玉潔，凌子夜, ，張正國, , ，方曉明,,

1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院（廣州 510640）；2.華南理工大學(xué)廣東省熱能高效儲存與利用工程技術(shù)研究中心（廣州 510640）；3.華南理工大學(xué)珠海現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院（珠海 519175）

火鍋是中國最受歡迎的美食之一。鴛鴦鍋由辣油鍋和清湯鍋組成，這種組合使得火鍋的口味更加豐富，備受人們喜愛。然而，人們涮鴛鴦鍋時(shí)常會發(fā)現(xiàn)辣油鍋似乎總是比清湯鍋先沸騰。這個(gè)現(xiàn)象是否只是巧合，如果辣油鍋確實(shí)是先沸騰，那是什么原因引起的呢？

沸騰是生活中一種常見現(xiàn)象，指的是液體在達(dá)到沸點(diǎn)溫度后繼續(xù)吸熱并產(chǎn)生汽化現(xiàn)象、形成氣泡的過程。由于汽化過程中液體吸收大量熱量而溫度保持不變，沸騰在傳熱領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。如熱管就是一種利用液體沸騰換熱過程對芯片等高功率密度電子設(shè)備進(jìn)行散熱的一種器件，其工作原理如圖1所示。熱管內(nèi)液體吸收CPU的熱量[1]后發(fā)生沸騰，以氣體形式將熱量迅速傳遞到散熱器上，與風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)進(jìn)行熱交換后將熱量散發(fā)到空氣中，氣體重新冷凝成液體回流到蒸發(fā)腔內(nèi)，再進(jìn)行下一次的換熱。

圖1 CPU熱管示意圖[2]

圖2 影響火鍋升溫速率的因素

沸騰是傳熱學(xué)科中的一個(gè)重要概念，在沸騰換熱領(lǐng)域的研究中，已有研究主要致力于尋找提高沸騰換熱效率的方法，即強(qiáng)化沸騰傳熱。研究目標(biāo)是使液體能夠更快形成氣泡，并盡可能讓氣泡迅速脫離加熱面，從而更高效地帶走熱量。

影響沸騰的因素有很多，包括加熱溫度、加熱容器結(jié)構(gòu)、液體的物理性質(zhì)等。一般情況下，加熱溫度高可以加快沸騰；加熱容器的粗糙度大，更容易產(chǎn)生氣泡，沸騰速率更快[3-5]。在鴛鴦鍋中，清水鍋和辣油鍋的加熱溫度和加熱容器結(jié)構(gòu)基本相同，因此造成其沸騰速率不同的主要因素來自液體的物性差異。液體的熱導(dǎo)率、比熱容、黏度、潤濕性等都屬于能夠改變沸騰速率的物理特性。熱導(dǎo)率是指物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的能力，熱導(dǎo)率越高，相同溫差下流體能夠越快吸收熱量，從而讓液體更快得到足夠的熱量驅(qū)動(dòng)它汽化。比熱容是指單位質(zhì)量的材料升高1 ℃所需要吸收的熱量。比熱容升高，材料需要吸收更多的熱量才能升高至沸點(diǎn)，在相同加熱條件沸騰可能會被延緩。此外，沸騰過程中產(chǎn)生的氣泡會攪動(dòng)液體[6-9]，如果液體黏度大，則流體更難被攪動(dòng)，氣泡運(yùn)動(dòng)阻力越大，沸騰難度加大。同時(shí)，如果液體在加熱壁面潤濕性較差，液體不容易在固體表面鋪展開來，更容易形成氣泡，會在一定程度上加快沸騰[3,10-13]。此外，液體的飽和蒸氣壓會影響其沸點(diǎn)。液體的飽和蒸氣壓變大，則液體更快與氣相形成相平衡，沸點(diǎn)更低，更容易發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。蒸發(fā)與沸騰都是液體汽化的一種現(xiàn)象，但蒸發(fā)過程不產(chǎn)生明顯的氣泡，因此不容易觀察到。但蒸發(fā)過程中同樣需要吸收大量的熱，因此火鍋體系的熱損失會增大，導(dǎo)致鍋內(nèi)液體可能得不到足夠的熱量產(chǎn)生沸騰，從而導(dǎo)致沸騰的延緩。

由此可見，要搞清楚火鍋辣油鍋是不是先沸騰、為什么先沸騰，找出辣油鍋和清湯鍋底物性差異非常重要。然而火鍋體系復(fù)雜，相比清湯鍋，辣油鍋鍋底的主要成分是加入的植物油或牛油[14]、辣椒及其他固體香辛料[15]。辣油鍋和清水鍋的物性測試相對困難，相關(guān)研究缺乏。

對鴛鴦火鍋辣油鍋是否先沸騰現(xiàn)象開展試驗(yàn)研究，試圖通過科學(xué)的測量分析以解釋生活中常見的現(xiàn)象。試驗(yàn)對辣油鍋、清水鍋的熱物性，包括熱導(dǎo)率、比熱容、飽和蒸氣壓等進(jìn)行測量，并通過控制變量的方式對比不同因素控制下沸騰時(shí)間差異，找出辣油鍋先沸騰的核心原因。

1 材料與方法

1.1 火鍋體系的原材料選擇

通過在水中加入牛油、大豆油制備辣油鍋鍋底作為研究對象，與清水鍋進(jìn)行對比。由于辣油鍋成分較為復(fù)雜，對其組分進(jìn)行簡化，使測試對象保留其主要成分的基礎(chǔ)上便于測量。辣油鍋中，根據(jù)鍋底油脂種類的不同，可分為清油鍋底和牛油鍋底[14]。清油鍋底主要采用植物油，試驗(yàn)中選用大豆油進(jìn)行代替，牛油鍋底則主要采用牛油。同時(shí)，為探究辣椒素類物質(zhì)對辣油鍋升溫速率的影響，在鍋底中添加一定量辣椒堿[16]。

大豆油（益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司，明黃色透明液體）；牛油（重慶牧哥食品有限公司，白色固體）；辣椒堿（廣州華粵藥業(yè)有限公司，白色粉末，含量＞99%）。

1.2 火鍋底料的熱物性測試

1.2.1 比熱容

采用差示掃描量熱儀（DSC，TA Q20）分別測量空盤、藍(lán)寶石標(biāo)準(zhǔn)樣和待測材料的DSC曲線，可計(jì)算得到各個(gè)試驗(yàn)材料在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)的平均比熱容。故選擇測試溫度范圍均為25～105 ℃，測試升溫速率5 ℃/min，平衡溫度恒溫1 min，利用得到的DSC曲線，可根據(jù)式（1）計(jì)算出各個(gè)試驗(yàn)材料在所選溫度范圍內(nèi)的平均比熱容。

式中：C為比熱容，J/（mg·K）；Y為DSC數(shù)值；m為質(zhì)量，mg。

1.2.2 熱導(dǎo)率

采用Hot Disk熱導(dǎo)率儀測量純水、大豆油、牛油的熱導(dǎo)率，測試方法為瞬態(tài)平板熱源法。分別測試水在30 ℃以及大豆油和牛油在30 ℃和100 ℃的熱導(dǎo)率。

1.2.3 飽和蒸氣壓

使用自動(dòng)電位滴定儀基于雷德法測量去離子水、大豆油的飽和蒸氣壓。去離子水的測試溫度為25 ℃，大豆油的測試溫度為25 ℃和100 ℃這2個(gè)溫度。

1.2.4 沸騰試驗(yàn)

為對比不同組分的火鍋體系沸騰時(shí)間，搭建包括沸騰池容器如圖3所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括沸騰池容器、溫度控制及加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖3 試驗(yàn)裝置

沸騰池主體模具由黃銅制成，內(nèi)腔是1個(gè)80 mm×80 mm×80 mm的立方體。加熱系統(tǒng)為不銹鋼電熱板，溫度設(shè)定為300 ℃恒定不變。

溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為安捷倫數(shù)據(jù)采集儀（34970A），用K型熱電偶分別負(fù)責(zé)采集水相中央溫度，如圖4所示，誤差±0.1 ℃，采集時(shí)間間隔10 s。

圖4 熱電偶設(shè)置示意圖

加熱試驗(yàn)：對300 g純水及油水混合物進(jìn)行加熱，記錄液體從加熱開始到沸騰的時(shí)間并進(jìn)行對比。

為避免體系總熱容量不同帶來的沸騰速率差異，基于比熱容的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2）不同水油比的材料熱容，調(diào)節(jié)油水混合物的質(zhì)量，使其總的比熱容與300 g純水相同。在總比熱容相同的條件下考察影響辣油鍋。

為進(jìn)一步考察動(dòng)物油、植物油對沸騰時(shí)間的影響規(guī)律，調(diào)節(jié)水-油比例分別為10∶1，10∶2，10∶3，10∶4和10∶5共5種。

另外，還需探究辣椒堿的添加對沸騰所需時(shí)間te是否有影響。在水-大豆油、水-牛油比10∶5的體系中添加5 g過量的辣椒堿，研究辣椒素對沸騰時(shí)間的影響。

加熱試驗(yàn)：將不銹鋼加熱板預(yù)熱至300 ℃并恒溫10 min，將裝有水、油水混合物的加熱容器放置在加熱板上，通過熱電偶記錄水溫從30 ℃上升至溫度保持恒定不變時(shí)所需時(shí)間te，此時(shí)的溫度記為Te，被認(rèn)為是液體的沸騰溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 清湯鍋和辣油鍋主要物質(zhì)熱物性對比

2.1.1 比熱容

對材料的比熱容進(jìn)行表征，水的比熱容比大豆油、牛油都高。如圖5所示，水的平均比熱容比大豆油和牛油提高38%和68%（表1）。因此，在相同質(zhì)量和相同加熱功率下，辣油鍋體系比熱容小，升溫速率理論上比清湯鍋體系更快。

表1 試驗(yàn)材料平均比熱容

圖5 試驗(yàn)材料比熱容

為研究比熱容減小是否為辣油鍋先沸騰的核心因素，根據(jù)不同水油比計(jì)算大豆油、牛油和水質(zhì)量，使辣油鍋鍋底的總熱容與純水保持一致，具體的用量如表2所示。在總熱容相同的情況下，比較清湯鍋和辣油鍋的沸騰速率，以判斷辣油鍋的沸騰是否因比熱容差異而產(chǎn)生。

表2 等熱容條件下水和大豆油/牛油用量

2.1.2 熱導(dǎo)率

辣油鍋材料的熱導(dǎo)率低于清湯鍋，這可能會降低其從熱源吸熱的速率，延緩其發(fā)生沸騰的時(shí)間。如圖6所示，大豆油的熱導(dǎo)率0.16～0.17 W/（m·K），約為同溫度下純水的25%～26%，牛油在30 ℃條件下為固態(tài)，熱導(dǎo)率較高，但也僅為水的56.2%，熔化后的牛油熱導(dǎo)率在純水的26%左右。

圖6 試驗(yàn)材料熱導(dǎo)率測試結(jié)果

2.1.3 飽和蒸汽壓

開展材料的飽和蒸汽壓測試，并猜想飽和蒸氣壓的差異可能是影響火鍋沸騰速率的主要因素之一。飽和蒸汽壓體現(xiàn)的是材料在一定溫度條件下，與其蒸汽處于相平衡時(shí)，蒸汽所具有的分壓壓強(qiáng)。飽和蒸汽壓測試結(jié)果如圖7所示。純水和油的飽和蒸汽壓隨著溫度的上升而增大，且同溫度條件下純水的飽和蒸汽壓比油高42%～174%。這意味著水在同溫度下會比油具有更大的蒸發(fā)速率，因此更容易帶走熱量。這主要由于油脂類物質(zhì)相比水具有更大的分子量，在相同溫度下，油中的分子具有更低的平均速度和能量，也就更難汽化成蒸汽。因此可以推斷牛油和大豆油具有相似的蒸汽壓，均比水更低。

圖7 試驗(yàn)材料不同溫度條件下飽和蒸汽壓對比

對于辣油鍋，由于水和油不相溶，且油的密度更小，因此水-油體系中，液氣界面為油-空氣界面，發(fā)生蒸發(fā)過程的只有油相，飽和蒸汽壓較小的油相蒸發(fā)速率慢，最終導(dǎo)致水-油體系的辣油鍋熱損失速率小。由于飽和蒸汽壓隨溫度的上升而增大，因此水的蒸發(fā)速率和散熱速率也會隨著溫度的上升而增大，因此水相的溫度變化速率也隨之逐漸減小，與圖8中純水體系的水相溫度變化曲線呈現(xiàn)的規(guī)律相一致。

圖8 體系總質(zhì)量一定時(shí)水-大豆油體系不同水-油比下升溫曲線圖

因此，需綜合考慮熱導(dǎo)率和飽和蒸汽壓等因素，并結(jié)合體系等熱容的試驗(yàn)結(jié)果，論證對沸騰速率的影響。

2.2 總質(zhì)量一定的清湯及辣油鍋沸騰時(shí)間對比

通過沸騰時(shí)間對比，驗(yàn)證相同質(zhì)量下辣油鍋確實(shí)比清湯鍋更快沸騰。對總質(zhì)量均為300 g的純水和不同比例的水油混合物進(jìn)行加熱，升溫曲線如圖8和圖9所示。對比水-大豆油和水-牛油混合物與純水體系從30 ℃加熱至沸騰溫度Te的時(shí)間發(fā)現(xiàn)，300 g純水的沸騰時(shí)間約32 min，水-大豆油體系的沸騰時(shí)間比純水低43.8%～48.8%，而水-牛油體系的沸騰時(shí)間則比純水低37.4%～46.0%，表明辣油鍋相較清湯鍋確實(shí)沸騰時(shí)間更短，如圖10所示。

圖9 體系總質(zhì)量一定時(shí)水-牛油體系不同水-油比下升溫曲線圖

圖10 體系總質(zhì)量一定時(shí)水-油體系不同水-油比下沸騰時(shí)間與純水體系對比

經(jīng)計(jì)算，體系總質(zhì)量一定時(shí)，水-油體系的總熱容都比純水體系更?。ㄈ绫?所示）。這可能是影響兩種體系沸騰速率的原因，因此需設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證這一猜想。

表3 相同質(zhì)量各體系的總熱容

2.3 總熱容一定清湯鍋及辣油鍋沸騰時(shí)間對比

為研究熱容是否是影響其沸騰的核心原因，對比同等總熱容的不同比例的水、水油混合物的升溫速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總熱容相同情況下，辣油鍋也確實(shí)先沸騰。

加熱試驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示。300 g純水的沸騰時(shí)間約32 min。而同等熱容量的水-大豆油、水-牛油混合物的沸騰時(shí)間分別為17 min和21 min，均小于純水體系的沸騰時(shí)間，分別比純水減少約45%和35%。這表明在清湯鍋和辣油鍋的總熱容相同的情況下，辣油鍋依然顯著地更快發(fā)生沸騰現(xiàn)象。

圖11 體系熱容量一定時(shí)水-大豆油體系不同水-油比下升溫曲線圖

圖12 體系熱容量一定時(shí)水-牛油體系不同水-油比下升溫曲線圖

圖13 體系熱容量一定時(shí)水-油體系不同水-油比下沸騰時(shí)間與純水體系對比

2.3.1 含辣椒堿、干辣椒體系沸騰時(shí)間對比

對比含辣椒堿體系的沸騰時(shí)間與不含辣椒堿體系，以證明辣椒堿并不會對辣油鍋體系的沸騰速率存在顯著影響。對比水-大豆油比例10∶5的體系與其中添加5 g辣椒堿的體系的沸騰時(shí)間，如圖14所示。含辣椒堿的體系溫度升高速度比不含辣椒堿的體系更快，沸騰所需時(shí)間te縮短0.67 min。然而，需要指出的是，這是在體系中添加常規(guī)量的約588倍的辣椒堿后的結(jié)果，相比之下添加辣椒堿后的差異太小。因此，可以判斷辣油鍋中辣椒堿的存在對沸騰的影響較小。

圖14 水-大豆油比例10∶5條件下添加辣椒堿前后沸騰時(shí)間對比

然而，辣椒本身作為一種多孔的固形物，在辣油鍋中或許可以提供辣油鍋沸騰的成核位點(diǎn)。因此，為證明辣椒對辣油鍋體系是否存在影響，對比水-大豆油比例10∶5的體系與其中添加10 g干辣椒（以鋪滿液面為準(zhǔn)，如圖15所示）的體系的沸騰時(shí)間，結(jié)果如圖16所示。兩者的te基本一致，可以證明干辣椒對辣油鍋的沸騰時(shí)間無顯著影響。

圖15 在水-大豆油體系中添加干辣椒至鋪滿液面

圖16 水-大豆油比例10∶5條件下添加辣椒堿前后沸騰時(shí)間對比

2.4 辣油鍋先沸騰原因分析

關(guān)于辣油鍋先沸騰的原因，排除油相使水相的沸點(diǎn)降低的猜想。從圖11和圖12中可以看出，各體系的沸騰溫度Te都約等于100 ℃，即常壓下純水的沸點(diǎn)。由于水和大豆油或牛油并非完全不互溶，但溶解度十分小，因此并不能形成共沸物，對水相沸點(diǎn)的影響可以忽略不計(jì)。因此辣油鍋中油相的存在并不會使水的沸點(diǎn)降低。

排除熱導(dǎo)率是引起辣油鍋先沸騰的主要原因。根據(jù)熱導(dǎo)率測試結(jié)果，油相的熱導(dǎo)率更低，更難從底部獲得熱量，理論上辣油鍋的升溫速率比水相更慢。但實(shí)際上，大豆油體系的水溫上升顯著高于純水體系。牛油體系的水溫在前10 min與水系保持一致，溫度上升至60 ℃以后突然升溫速率顯著比水相加快。

排除是辣椒堿和干辣椒的添加促進(jìn)辣油鍋的沸騰速度的猜想。通過在水-油體系中分別添加過量的辣椒堿和干辣椒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體系的沸騰速率并沒有發(fā)生顯著的改變。這說明油相的加入是導(dǎo)致辣油鍋先沸騰的關(guān)鍵因素，而辣椒相關(guān)的元素對沸騰的影響可以忽略不計(jì)。

通過對比沸騰時(shí)間和現(xiàn)象觀察后認(rèn)為，油的低密度和低蒸汽壓是使辣油鍋先沸騰的關(guān)鍵物性。大豆油和牛油密度都比水低，會浮在水面上。其中，大豆油始終處于液態(tài)，由于大豆油的蒸汽壓較低，使得油水混合物的飽和蒸汽壓比純水低，降低了空氣中水分的分壓，使得水的蒸發(fā)速率下降，熱損失減小，升溫速率加快。

牛油在低溫下是固體，不影響水在空氣中的蒸汽分壓，水的蒸發(fā)速率在不同牛油含量下都基本一致，一開始牛油-水混合物的升溫速率與純水保持一致。然而，溫度升高至65 ℃時(shí)，牛油發(fā)生熔化。液態(tài)的牛油與水難以互溶且密度小于水，導(dǎo)致液態(tài)牛油浮在水相上方，此時(shí)水-空氣相界面將被水-油相界面（液-液相界面）和油-空氣相界面所取代，如圖17（右）所示。此時(shí)，油水混合物的整體蒸汽壓下降，水更難向空氣中蒸發(fā)帶走熱量。體系內(nèi)的熱損失減小，大部分熱量都用于加熱水油混合物，從而使水溫的上升速率超過純水體系。

圖17 水-固態(tài)牛油（左）和水-液態(tài)牛油或大豆油（右）的相界面示意圖

通過圖8～圖13的數(shù)據(jù)可知，不同水-油比對水-大豆油、水-牛油體系中的沸騰時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)。水油比從10∶1增加到10∶5時(shí)，沸騰時(shí)間差值小于0.7 min，小于沸騰總時(shí)長的5%。結(jié)果說明油含量對沸騰時(shí)間影響較小，其關(guān)鍵在于形成一層液膜，降低水的蒸汽分壓，避免水分蒸發(fā)，從而降低體系內(nèi)的熱損失。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)對比辣油鍋和清湯鍋沸騰時(shí)間的差異，通過對不同鍋底的物性測量及升溫曲線的差異，分析辣油鍋與清湯鍋沸騰特性差異的原因。得到以下結(jié)論：

辣油鍋確實(shí)會比清湯鍋先沸騰，不管是相同質(zhì)量的鍋底還是熱容相同的鍋底，辣油鍋鍋底的沸騰時(shí)間比清湯鍋縮減35%～45%。

試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)辣油鍋主要成分大豆油和牛油的比熱容、熱導(dǎo)率和飽和蒸汽壓等關(guān)鍵熱物性都比清湯鍋的低，主要成分水更低。

大豆油、牛油降低水分的蒸汽壓從而減少水分蒸發(fā)、降低體系內(nèi)熱損失，可能是辣油鍋先沸騰的關(guān)鍵原因，大豆油體系的沸騰時(shí)間比牛油體系更短。比熱容和熱導(dǎo)率對縮減沸騰時(shí)間作用不大。

辣椒素和干辣椒對辣油鍋的沸騰時(shí)間影響不大，可證明水-油兩相結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致辣油鍋沸騰時(shí)間的縮減主要原因。

針對生活中常見的鴛鴦鍋辣油鍋先沸騰現(xiàn)象，開展科學(xué)的試驗(yàn)測試，對揭示這一現(xiàn)象背后的科學(xué)原理提供相關(guān)證據(jù)。