餃子はフライパンの中でいつも「爆発」するのでしょうか？熱伝達の研究をもっと勉強する必要があるかもしれません。

どこにいても、

餃子は、お祝いや休日の食卓に必ず並びます。

まさに欠かせないもの。

餃子が完成して、

噛みごたえがあって美味しいです。

しかし、沸騰したら

壊れた芸術作品のように、

とても悲しいですね。

餃子は調理するとなぜ崩れるのでしょうか？

冷たい水を加えるというちょっとしたコツは科学的ですか?

これらの疑問を解決するために、

これを熱伝達の観点から見てみましょう。

科学的に餃子を調理します。

熱伝達の基本的な方法

熱伝達について話すとき、まず熱伝導、熱対流、熱放射という 3 つの基本的な熱伝達方法を紹介する必要があります。

熱伝導

熱伝導は主に固体内または固体間の熱伝達を指します。これは、物質の各部分間の相対運動なしに、分子、原子、電子などの微小な粒子を介して熱伝達が完了するプロセスを指します。例えば、餃子を調理する過程では、鍋壁の熱伝導、餃子の皮の熱伝導、餃子の皮と餡子が接触しているときの相互熱伝達はすべて熱伝導と考えられます。

熱伝導の問題では、一般的にフーリエの法則（熱伝導の基本法則とも呼ばれる）が使用され、熱流束密度は次式を満たす。

熱流Φは単位時間あたりに流れる熱量を表し、単位はWです。Aは面積を表すので、熱流束密度qは単位時間あたりに単位表面積を流れる熱量を表すと考えるのが自然です。 dt と dx はそれぞれ温度差と距離です。 λは熱伝導率であり、材料の特性によって決まり、単位はW/(m·K)です。

この式から、3つの主な情報が分かります。(1)熱は高温領域から低温領域に伝達されます。（２）温度変化が急激であればあるほど、熱伝達は速くなる。（３）熱伝達速度は材料の特性（熱伝導率λの違い）によって影響を受ける。

餃子を調理する問題では、鍋の壁（鉄/ステンレス鋼）、水、餃子の皮、餃子の具の熱伝導率を簡単に比較することができます。ここで、皮と具は、それぞれ水分含有量 12% の小麦粉と肉の一部に置き換えられます。

さまざまな物体の熱伝導率 |データ: 参考文献 [2]-[4]

比較すると、金属製品である鍋の熱伝導率は他の物体よりも 2 桁ほど大きいことがわかります。そのため、過度の熱伝導による火傷を避けるために、金属製のスプーンには非金属製のハンドルを装備する必要があります。

熱対流

熱対流は流体（液体または気体）がある場合に発生し、流体の部分が互いに相対的に動くときに熱い部分と冷たい部分が混ざることによって生じる熱伝達を指します。内部の分子も熱運動をしているので、熱対流には熱伝導も伴います。

熱対流は液体内部で発生しますが、実際の用途では、液体が物体の上を流れるときに物体の表面間で熱が伝達されるプロセスの方が一般的です。区別するために後者を対流熱伝達と呼びます。餃子を調理する過程では、水と鍋の間、および水と餃子の皮の間の熱伝達は対流熱伝達によってモデル化できます。

上述の物体表面上の流体の対流熱伝達モデルは、ニュートンの冷却公式で記述することができ、次のように表される。

ここで、q は依然として熱流束密度であり、Δt は物体表面と流体間の温度差を表します。比例係数hは表面熱伝達係数（対流熱伝達係数とも呼ばれる）と呼ばれ、単位はW/(m2·K)です。表面熱伝達係数は、流体と物体の表面との間の熱伝達に関係するため、物体の表面の特性（材質、形状、サイズなど）だけでなく、流体の物理的性質（熱伝導率、熱容量など）や流量にも関係します。

対流は流れの原因によって自然対流と強制対流の2種類に分けられます。

自然対流は、部品間の温度差によって生じる密度差によって駆動される流れです。例えば、餃子を茹でるときに水が沸騰していないと、鍋の底近くの水が加熱されて密度が下がり、表面に流れ出てしまいます。上層の水は温度が低く密度が高いため、鍋の底に移動する傾向があり、自然対流が発生します。

強制対流は、水ポンプなどの圧力差があるときに発生する流れです。たとえば、鍋の中の水をスプーンでかき混ぜると、水が流れます。

熱放射

熱放射とは、さまざまな物体が自発的に電磁波を放射し、熱によってエネルギーを放出する現象を指します。電磁波が他の物体に放射されると、ある程度は吸収されます。放射と吸収が組み合わさって放射熱伝達を構成します。システムが動的平衡に達すると、各物体は同じ量の熱を吸収および放射します。

放射線の問題を議論する場合、理想的な研究対象は、表面に当たるすべての電磁波を吸収できるという特性を持つ絶対黒体と呼ばれる物体です。この種の物体は吸収能力が最も高く、動的平衡に達するとエネルギーを放射する能力も最大になるのは明らかです。黒体から単位時間あたりに放射されるエネルギーは、シュテファン・ボルツマンの法則によって明らかにされます。

ここで、A は放射面積、T は黒体の温度です。 σは黒体放射定数であり、その値は5.67×10-8W/(m2·K4)である。実際の物体の放射は絶対黒体の放射と比例係数εだけ異なります。つまり、

この比例係数は、物体の放射率（黒さとも呼ばれる）と呼ばれます。注目すべきは、熱放射のエネルギーは温度に大きく影響されるため、高温の物体がない場合は、熱放射は一般に無視されるということです。

餃子を調理する過程で、炎は完全にまたは部分的に燃焼している比較的高温のガスです。天然ガスストーブを例にとると、その温度は一般的に約1000〜1500Kに達するため、明らかな熱放射が発生します。しかし、炎自体は流体であるため、熱対流によって鍋の底に熱を伝達することもでき、一般的には後者が主な加熱の役割を果たします。

これを読んで、お皿の上の餃子が実際に物理的な光を放射していると思いますか?結局、餃子を調理するとき、炎の熱は、炎と鍋の間の対流熱伝達と放射熱伝達、鍋壁内の熱伝導、鍋壁と水の間の対流熱伝達、水中の対流と熱伝導、水と餃子の皮の間の対流熱伝達、そして、餃子の皮と餃子の餡の間の熱伝導を経て、最終的にお皿の上で餃子が調理されるのです。（物理的なものではないと思われる場合は、息を止めずに上記の文章を暗唱してください。）しかし、私たちはまだ重要なつながり、つまり餃子の中の空気を見落としています。

空気を「空気」として扱わないでください

読者からの質問: 「餃子に空気を入れることは重要ですか?」

編集者はこう答えた。「答えは下にあります。」

読者はプッシュ通知を読み続け、編集者は餃子を食べ続けます。

——『中二病外伝熱伝導』

まず余談させてください。餃子の中の空気は、調理時に餃子が浮く重要な理由の一つです。餃子は作るときにどうしても内部に空気を含んだ状態になるため、加熱し続けると内部の空気も熱で膨張してしまいます。これにより、もともと鍋の底にあった餃子の総体積が増加し、餃子の浮力が自身の重力を克服して表面に浮かぶまで増加します。

実は、空気の存在は2つのことに関係しています。1つは、餡を調理するために冷水を加える必要がある理由、もう1つは、餃子を茹でると爆発することがある理由です（えっ！？熱の伝え方がよくわからなかったから、空気で餃子を揚げる方法を習ったんじゃないの？）。

まずは最初のものから見ていきましょう。重要なのは、熱伝導が常に最初に餃子の皮に到達し、次に餃子の中の餡に伝わることです。そのため、皮は早く調理されることが多いのですが、中身はそうでない場合があります。前述のように、餃子は加熱されると内部の熱い空気に支えられ、本来は直接接していた皮と餡の間に空気の層ができ、分離します。

前回と同様の解析によれば、空気層の追加により、熱伝達は表皮と詰め物との間の直接的な熱伝導から、空気層との対流熱交換に変わり、その後詰め物に伝わることがわかります。直感的には、リンクを追加すると熱伝達の効率が低下するはずですが、どの程度影響があるのでしょうか?理想的なモデルを抽象化して計算してみましょう。

図に示すように、空気層がある場合とない場合の 2 つの状況があります。熱伝達は 1 次元モデルに簡略化されます。スキンと充填物の厚さはそれぞれ d1 と d2 で一定であると仮定します。 2つの熱伝導率はそれぞれλ1とλ2です。両側の温度は一定で、それぞれ T0 と T です。

ケース1 インターフェース温度はTmです。空気層が非常に薄く、内部温度が一定レベル T2 に達し、それがスキンの内面の温度と充填物の表面の温度 T1 と T3 の間であると仮定します。空気と皮膚および充填物間の表面熱伝達係数は、それぞれ h12 と h23 で表されます。 2 つのシステムがそれぞれ定常状態に達する、つまり各断面 (領域 A) の熱流束 Φ が一定であると仮定します。前の式によれば、ケース1では

状況2

2組の方程式の温度を加えると、次の関係式が得られます。

したがって、

そのうち分母は

これはシステムの総熱抵抗と呼ばれ、逆数 k1 または k2 はシステムの総熱伝達係数と呼ばれます。空気層がある場合、温度差が一定の場合、熱抵抗が大きくなるため熱流量が減少し、それが餃子の餡の加熱に影響を与えることが直感的にわかります。

沸騰したお湯に冷水を加えると、水温が急激に下がり、餃子の中のガスが冷えて収縮し、餃子の皮と餡が再びくっつくため、餡の加熱がより効率的になります。また、冷水を入れずに加熱を続けると加熱効率が低くなります。餃子の餡は長時間加熱され、餃子内の空気も継続的に加熱されます。過度の膨張により餃子が破裂する可能性があります（exploded.jpg）。

空気層の影響をより直感的に感じるために、d1= 2mm、d2= 1cm、λ1= 0.13W/(m·K)、λ2= 0.45W/(m·K)とします（純粋な赤身肉の詰め物、誘惑されませんか？）。また、自然対流下の空気の表面熱伝達率はh=1～10W/(m2·K)程度なので、h12=h23=5W/(m2·K)とします。得る

空気の層が薄いと、充填物の加熱効率が一桁低下します。熱の伝わり方をしっかり覚えないと、本当に餃子が爆発しちゃうらしいです！！！

予想していなかったのですか？

餃子作りには学ぶことがたくさんありますよ〜

その背後にある原理を理解してください。

たくさんの知識を学んだ今、

自分へのご褒美に、もう少し餃子を食べてみませんか〜

参考文献:

[1] 楊世明、陶文泉。熱伝達（第4版）[熱伝達] [M]。高等教育出版社、2006年。

[2] 一般的な材料の熱伝導率（gkzhan.com）

[3] 熱伝導率_百度百科事典（baidu.com）

[4]Božiková M.（2003）：トウモロコシと小麦粉の熱物理的パラメータ。解像度農業。工学、49:157-160。

[5] 天然ガスコンロの炎の温度_Baidu Knows (baidu.com)