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物理学家终于破解了不粘锅的粘锅之谜

时间:
2021年02月05日 |
作者:
小雨 |
来源:
原理

你经常做饭吗?如果是的话,那你是否注意到过这样一个问题:有时食物总是会粘在锅的中心位置,即使你所使用的锅是包裹了不粘涂层的不粘锅。

其实,这个问题与一个普遍存在于自然界和工程中的现象有关,那就是形成于液体薄膜上的“干燥斑”(dry spot)。我们都看到过,玻璃窗上的一层连续的水膜会突然破裂,留下一片片干燥的区域的。

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 玻璃窗上原本连续的水薄膜会破裂,留下一片片干燥的区域。| 图片来源:pxhere

最早注意到这种现象的是前苏联物理学家Y. Karetnikov,在一篇于1954年发表的论文中,他描述了液体在沿垂直的表面流下时,在液体薄膜上会出现破裂的现象。这种现象几乎无处不在,但对于一些工程设备来说,它会带来一些负面作用。比如在蒸馏塔、工业洗涤器,以及其他一些带有电子元件的设备中,当形成于固体表面的液体薄膜中出现干燥斑时,会导致如电子元件急剧过热,或热传递和质量传递下降等情况。

若想要很好地规避这类现象,我们有必要更好地理解干燥斑是如何形成于液体薄膜中的。现在,一篇新发表于《流体物理》杂志上的论文,揭示了液体薄膜在固体表面的破裂过程。

在这项研究中,捷克科学院的两名物理学家利用不粘锅,对这一问题进行了测试。他们在一个涂有陶瓷颗粒的不粘锅中加热一层薄薄的葵花籽油,油膜厚度仅为1.5毫米。接着,他们用摄像机记录了用最大火力加热葵花籽油的过程,并测量了在葵花籽油中的干燥斑的形成和增长速度。

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在一个陶瓷不粘锅中加上食用油后,中间出现了一个“干燥斑”。| 图片来源:Alex Fedorchenko

他们观察到,锅子中的最初连续的葵花籽油薄膜在加热时突然开始破裂,且这个干燥区域是从锅子的中心开始向外延展的,然后很快达到最大直径。

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不葵花籽油在受热后向平底锅的边缘退散。| 图片来源:Fedorchenko et. al. / Physics of Fluids

接着,他们用涂有聚四氟乙烯(铁氟龙)的平底锅进行了实验,观察到了相同的现象。

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在一个涂有铁氟龙图层的不粘锅中加上食用油后,出现了相同的现象。| 图片来源:Alex Fedorchenko

他们意识到,是由于一种被称为“热毛细管对流”的现象,导致了油膜上出现了干燥斑,而这种热毛细管对流过程,会将油往锅子的边缘“吸”。这种现象像是“马兰戈尼效应”(Marangoni effect)的变体,马兰戈尼效应是一种由蒸发引起的液体流动,比如当酒杯在旋转时,杯壁上会留下一层薄薄的酒,由于薄膜中的酒精的蒸发速度比酒中的其他液体(主要是水)更快,导致薄膜的表面张力高于酒杯底部的酒,由此产生的表面张力梯度造成了马兰戈尼效应,使得酒会沿着酒杯的一侧流动。

而与不粘锅中的油所遇到的热毛细管对流情况有关的,是当平底锅在受热时,油膜中产生了温度梯度。随着温度的升高,液体的表面张力会相应降低,从而产生表面张力梯度。边缘的更强的张力会牵引中心部分粘性更弱的油,导致油从中心向外流,使得油膜越来越薄,发生变形,直到破裂,于是在锅的中央留下一块干燥的区域。

研究人员观察到,当超过一定的大小,油膜上的洞就无法再愈合。对每种液体来说,这个临界点因温度而异。任何超过临界大小的干燥区域都会迅速扩大。

研究人员说,现在我们已经很清楚食物为什么会粘在锅的中间了。我们可以采取一些简单的措施来避免这种情况的发生:比如你可以增加油膜厚度,以防止油膜过于薄;又或者你可以使用底部更厚的平底锅,以便更加均匀地传热,防止温度梯度的出现;在不影响烹饪效果的情况下,也可以尝试用适中的火力……

对于厨艺可能很精湛的你来说,这些建议或许听上去非常显而易见。不过对于深受液体薄膜破裂所扰的一些科学家和工程师来说,这项研究的发现对他们来说或许将有着重要的应用,因为液体在固体表面上的流动是食品、化学和制药行业等许多过程的关键所在。

#创作团队:

文:小雨

图:雯雯子

#参考来源:

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0035547

https://www.newscientist.com/article/2266479-physicists-finally-figured-out-why-food-sticks-to-a-frying-pan/?utm_campaign=RSS%7CNSNS&utm_source=NSNS&utm_medium=RSS&utm_content=physics

https://arstechnica.com/science/2021/02/the-physics-of-why-food-sometimes-sticks-to-the-center-of-a-nonstick-frying-pan/

#图片来源:

封面图:PIRO4D / Pixabay

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