從物理學角度談青梅煮酒

2019-06-21   周志宏glee

引子

古人愛烹茶煮酒,這從許多字畫、小說和故事中都能看得出來。

《三國志》里記載了諸葛亮在西南地區「興茶」的故事,他也因此被尊為「茶祖」。同樣是《三國志》還講了吳國的「孫皓飲群臣酒,率以七升為限。曜飲不過二升,或為裁減,或賜荼荈以當酒。」這或許就是「以茶代酒」的由來吧。

古人烹茶待友圖

而在《三國演義》里,英雄豪傑們大多是喝酒的。先有第五回關雲長的「溫酒斬華雄」,講的是關羽放著倒好的熱酒不喝,拎著青龍偃月刀出去跟華雄打了一仗,等他把華雄的腦袋拎回來,曹操摸了摸酒杯,酒還是溫的,藉此說明關公的武藝高強。而在第二十一回中,曹操想試探劉備是不是有野心,他準備了青梅和碗筷,又煮了酒請劉備來喝酒聊天,問他誰才是世間真正的英雄,劉備先是裝呆賣傻,後又在曹操「今天下英雄,惟使君與操耳!」的豪言中「被雷嚇得掉了筷子」,以此讓曹操放下戒心。

關羽提了華雄的頭回帳,曹操端起杯子一摸,酒還是熱的

小說里的故事多不可考,但古人愛好烹茶煮酒卻是真實的。茶葉需要熱水來泡,黃酒米酒也是須熱一熱才更好喝。

我們今天不探究歷史,也不討論文學,只借著這青梅煮酒的故事聊聊科學,從物理學的角度看一看這酒到底是怎麼煮的。

熱一壺老酒,學一點物理

響水不開,開水不響

燒過開水的朋友都知道「響水不開,開水不響」,但要細問緣由,估計就很少有人能說得清了。事實上,響水不開是因為水的熱對流不充分,位於壺底的水受熱很快,達到沸點的水會迅速氣化,這在物理上叫「成核沸騰」。但氣泡上方的冷水會給氣泡的上半部分降溫,維持氣泡的表面張力,所以在壺底與冷水之間形成了一層密集氣泡的空氣層。

水未燒開時,壺底與水之間形成密集氣泡,造成壺底過熱

這層氣泡中的一部分因為過熱膨脹,當氣泡表面張力無法克服水的壓力時,氣泡就會炸裂,冷水填充過熱區域時會迅速形成新的氣泡,進而保持壺底與水之間區域的過熱狀態。這種循環不斷重複,氣泡不斷炸裂的響聲經由壺體傳出來就是「響水」了。

氣泡炸裂,水填充氣泡空間時會迅速因過熱形成新的氣泡

壺底的過熱空氣層降低了導熱效率,如果你在燒水時不停攪動它,就可以促進熱對流,使氣泡不容易產生,水可以更快地燒開(當然,很少人會這麼干)。當壺裡的水全部達到沸點時,壺底生成的氣泡會迅速上升,水熱對流加快,從而更快地帶走熱量。壺發出的嘶嘶聲自然也小許多,這就是「開水不響」。

開水的氣泡會迅速離開底部上升,氣泡越往上越大,直到水面炸裂

溫酒不是燒開水,酒過熱時,它其中的酒精會首先蒸發,並且過熱的壺底會破壞酒中的胺基酸、有機物、維生素等,進而破壞酒的口感。因此煮酒通常最多煮到60~70ºC,不可以燒開

隔水煮酒是一個好辦法,壺底部的酒不會因為過熱而成核沸騰,自然也就保證了酒的口感。

隔水煮酒不會使酒過熱

熱是怎麼傳遞的?

當我們開始熱一壺老酒的時候,你有沒有想過:熱是怎麼傳遞的?學過物理的朋友們都知道,熱通過三種方式進行傳遞:熱傳導、熱對流和熱輻射

爐子裡火焰加熱空氣形成對流,從而慢慢烤熱鍋底;鍋底將熱能傳導給水,水受熱後又以對流的方式將熱能傳遞給酒壺;酒壺受熱,熱能由表及里,慢慢傳導給酒,酒在壺中通過熱對流達到均勻受熱的結果。如果鍋很燙,我們在摸到它之前就能感覺到熱量,這是熱輻射。

熱傳遞的過程

看起來曲折,其實挺簡單。在熱一壺老酒的過程中,熱對流、熱傳導和熱輻射都參與其中了

一、熱對流:火在點燃的時候,它加空氣形成熱對流,熱的空氣將熱能帶給鍋底;鍋內的水因為接收到鍋內壁的熱能,內外的溫度差會形成水的熱對流,熱的水會一點點加熱酒壺;酒壺中的酒從壺的內壁吸收熱能,在壺內形成對流,從而均勻受熱。

二、熱傳導:鍋底部外壁的熱能因為溫度差向內壁和邊緣傳導;酒壺的壺體因為整體受熱比較均勻,它向內壁的熱傳導也比較均勻。

三、熱輻射:所有受熱的部分都會向四周的空間輻射紅外熱能;火焰還會輻射可見光光波。

這就是我們煮一壺酒的熱傳遞過程,酒壺因為鍋中水的熱對流而均勻受熱,同時保證了壺中酒的任何部分都不會過熱。這就是水浴法加熱的好處。

利用水浴法,容易掌握酒的溫度,保證口感

為什麼我們可以加熱物體?

物理學認為,宇宙中所有的物體都含有能量,這種能量就是物體的內能。同時,物體可以吸收外部能量,在吸收外部能量後,物體的溫度會升高。

為什麼物體有能量?因為物體是由分子或原子等微觀粒子構成的,原子的外圍有電子,電子一刻不停地在原子核周圍運動,因此原子會不停地振動。原子的振動頻率和振動幅度與它的溫度有關,原子的溫度越高,它的振動就越厲害,與此同時,原子會向外部輻射能量。

原子向外輻射能量有可能是電磁波,也有可能是機械能。原子通過向外輻射能量使自己回到基態,也就是原子自身穩定的狀態。

微觀粒子通過撞擊傳遞能量

宇宙中的物體就是處於這種由平衡到不平衡再回到平衡的循環之中。

當我們點燃蠟燭,蠟燭燃燒將化學能轉化為熱能,熱能使火焰周圍的空氣分子發生劇烈的振動和偏轉,空氣分子攜帶著能量在火焰羽流的推動下向溫度低的地方流動,並向周圍釋放能量,從而使自己的溫度降下來,這就是熱對流。

人手的熱量加熱空氣分子,形成熱對流

當熱的空氣分子撞擊到鍋的底部時,它將能量傳導給鍋底表面的原子,原子獲得能量後開始加速振動,這種振動會以機械能的方式傳遞給它周圍的原子,帶著它們一起振動;鍋外層的原子不停地從空氣分子獲得能量,同時也不停地摩擦和撞擊它旁邊的原子,將能量通過振動向內層的原子傳遞,於是整個鍋的原子都不同程度地加劇振動起來,鍋也就越來越熱。這就是熱傳導。

分子振動幅度與能級的關係

當鍋內壁的原子受熱時,它會因為要回到基態的趨勢而將能量傳遞給裡邊的水,水分子受熱也開始加速振動和偏轉,就像鍋底的熱空氣一樣,水也開始產生熱對流,將熱能向溫度低的地方傳遞。

熱的物體會向外輻射光子,反過來,光子的輻射能也能作用於原子外圍的電子,使它們的能級升高,進而加速原子和分子振動、產生熱能。這就是輻射加熱。

戈壁灘中的大型太陽能集熱電站

發達的國家在沙漠戈壁中建設了一些大型太陽能集熱電站,就是利用許多鏡子反射太陽光,用輻射能量加熱集熱塔中的熔鹽,然後利用熔鹽數百度的高溫加熱水,推動蒸汽輪機發電。它就像一口巨大的太陽能鍋,是一種清潔的能源。美中不足的是,強烈的光熱輻射會殺死飛過的鳥。

太陽能集電塔頂端的鹽被加熱熔化,通過熱傳遞發電

總結

我們從三國的故事入手,從物理學的角度分析了煮酒的熱力學過程。為了保證酒的品質與口感,要讓酒壺受熱均勻,因此古人在煮酒的過程中對它隔水加熱,這就需要熱對流、熱傳導和熱輻射的全面參與。

物體熱的本質是分子和原子的振動,原子振動的頻率越高幅度越大,它的能級就越高,物體就越熱。當原子變熱時,它會向外輻射能量以使自己回到穩定的狀態,這就表現為物體散熱。物體會通過傳導、對流和輻射的方式將熱量傳遞給周圍的物體,以達到物理系統的熱平衡狀態。古人利用熱平衡的原理烹茶煮酒,現代人利用它來聚能發電,這是時代的進步。

最後考你一個問題:曹操摸酒杯,感覺到酒還是熱的,這是熱對流、熱傳導還是熱輻射?

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