鴛鴦火鍋中辣油鍋先沸騰現象及傳熱原理分析

羅聲豪，宋玉潔，凌子夜, ，張正國, , ，方曉明,,

1.華南理工大學化學與化工學院（廣州 510640）；2.華南理工大學廣東省熱能高效儲存與利用工程技術研究中心（廣州 510640）；3.華南理工大學珠海現代產業創新研究院（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，人們涮鴛鴦鍋時常會發現辣油鍋似乎總是比清湯鍋先沸騰。這個現象是否只是巧合，如果辣油鍋確實是先沸騰，那是什么原因引起的呢？

沸騰是生活中一種常見現象，指的是液體在達到沸點溫度后繼續吸熱并產生汽化現象、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，沸騰在傳熱領域中得到廣泛應用。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備進行散熱的一種器件，其工作原理如圖1所示。熱管內液體吸收CPU的熱量[1]后發生沸騰，以氣體形式將熱量迅速傳遞到散熱器上，與風扇吹出的冷風進行熱交換后將熱量散發到空氣中，氣體重新冷凝成液體回流到蒸發腔內，再進行下一次的換熱。

圖1 CPU熱管示意圖[2]

圖2 影響火鍋升溫速率的因素

沸騰是傳熱學科中的一個重要概念，在沸騰換熱領域的研究中，已有研究主要致力于尋找提高沸騰換熱效率的方法，即強化沸騰傳熱。研究目標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、加熱容器結構、液體的物理性質等。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構基本相同，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。熱導率是指物質傳導熱量的能力，熱導率越高，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動它汽化。比熱容是指單位質量的材料升高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，在相同加熱條件沸騰可能會被延緩。此外，沸騰過程中產生的氣泡會攪動液體[6-9]，如果液體黏度大，則流體更難被攪動，氣泡運動阻力越大，沸騰難度加大。同時，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。液體的飽和蒸氣壓變大，則液體更快與氣相形成相平衡，沸點更低，更容易發生蒸發現象。蒸發與沸騰都是液體汽化的一種現象，但蒸發過程不產生明顯的氣泡，因此不容易觀察到。但蒸發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，導致鍋內液體可能得不到足夠的熱量產生沸騰，從而導致沸騰的延緩。

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，相關研究缺乏。

對鴛鴦火鍋辣油鍋是否先沸騰現象開展試驗研究，試圖通過科學的測量分析以解釋生活中常見的現象。試驗對辣油鍋、清水鍋的熱物性，包括熱導率、比熱容、飽和蒸氣壓等進行測量，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，與清水鍋進行對比。由于辣油鍋成分較為復雜，對其組分進行簡化，使測試對象保留其主要成分的基礎上便于測量。辣油鍋中，根據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，試驗中選用大豆油進行代替，牛油鍋底則主要采用牛油。同時，為探究辣椒素類物質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、藍寶石標準樣和待測材料的DSC曲線，可計算得到各個試驗材料在試驗溫度范圍內的平均比熱容。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，可根據式（1）計算出各個試驗材料在所選溫度范圍內的平均比熱容。

式中：C為比熱容，J/（mg·K）；Y為DSC數值；m為質量，mg。

1.2.2 熱導率

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

1.2.3 飽和蒸氣壓

使用自動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個溫度。

1.2.4 沸騰試驗

為對比不同組分的火鍋體系沸騰時間，搭建包括沸騰池容器如圖3所示的試驗系統，包括沸騰池容器、溫度控制及加熱系統、數據采集系統。

圖3 試驗裝置

沸騰池主體模具由黃銅制成，內腔是1個80 mm×80 mm×80 mm的立方體。加熱系統為不銹鋼電熱板，溫度設定為300 ℃恒定不變。

溫度數據采集系統為安捷倫數據采集儀（34970A），用K型熱電偶分別負責采集水相中央溫度，如圖4所示，誤差±0.1 ℃，采集時間間隔10 s。

圖4 熱電偶設置示意圖

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

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據，根據式（2）不同水油比的材料熱容，調節油水混合物的質量，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。

為進一步考察動物油、植物油對沸騰時間的影響規律，調節水-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間的影響。

加熱試驗：將不銹鋼加熱板預熱至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所需時間te，此時的溫度記為Te，被認為是液體的沸騰溫度。

2 結果與討論

2.1 清湯鍋和辣油鍋主要物質熱物性對比

2.1.1 比熱容

對材料的比熱容進行表征，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 試驗材料平均比熱容

圖5 試驗材料比熱容

為研究比熱容減小是否為辣油鍋先沸騰的核心因素，根據不同水油比計算大豆油、牛油和水質量，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生。

表2 等熱容條件下水和大豆油/牛油用量

2.1.2 熱導率

辣油鍋材料的熱導率低于清湯鍋，這可能會降低其從熱源吸熱的速率，延緩其發生沸騰的時間。如圖6所示，大豆油的熱導率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，熱導率較高，但也僅為水的56.2%，熔化后的牛油熱導率在純水的26%左右。

圖6 試驗材料熱導率測試結果

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。飽和蒸汽壓體現的是材料在一定溫度條件下，與其蒸汽處于相平衡時，蒸汽所具有的分壓壓強。飽和蒸汽壓測試結果如圖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速率，因此更容易帶走熱量。這主要由于油脂類物質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，發生蒸發過程的只有油相，飽和蒸汽壓較小的油相蒸發速率慢，最終導致水-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的規律相一致。

圖8 體系總質量一定時水-大豆油體系不同水-油比下升溫曲線圖

因此，需綜合考慮熱導率和飽和蒸汽壓等因素，并結合體系等熱容的試驗結果，論證對沸騰速率的影響。

2.2 總質量一定的清湯及辣油鍋沸騰時間對比

通過沸騰時間對比，驗證相同質量下辣油鍋確實比清湯鍋更快沸騰。對總質量均為300 g的純水和不同比例的水油混合物進行加熱，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的時間發現，300 g純水的沸騰時間約32 min，水-大豆油體系的沸騰時間比純水低43.8%～48.8%，而水-牛油體系的沸騰時間則比純水低37.4%～46.0%，表明辣油鍋相較清湯鍋確實沸騰時間更短，如圖10所示。

圖9 體系總質量一定時水-牛油體系不同水-油比下升溫曲線圖

圖10 體系總質量一定時水-油體系不同水-油比下沸騰時間與純水體系對比

經計算，體系總質量一定時，水-油體系的總熱容都比純水體系更小（如表3所示）。這可能是影響兩種體系沸騰速率的原因，因此需設計試驗驗證這一猜想。

表3 相同質量各體系的總熱容

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，結果發現總熱容相同情況下，辣油鍋也確實先沸騰。

加熱試驗結果如圖11和圖12所示。300 g純水的沸騰時間約32 min。而同等熱容量的水-大豆油、水-牛油混合物的沸騰時間分別為17 min和21 min，均小于純水體系的沸騰時間，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生沸騰現象。

圖11 體系熱容量一定時水-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 體系熱容量一定時水-油體系不同水-油比下沸騰時間與純水體系對比

2.3.1 含辣椒堿、干辣椒體系沸騰時間對比

對比含辣椒堿體系的沸騰時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量的約588倍的辣椒堿后的結果，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。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，如圖15所示）的體系的沸騰時間，結果如圖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間對比

2.4 辣油鍋先沸騰原因分析

關于辣油鍋先沸騰的原因，排除油相使水相的沸點降低的猜想。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。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，對水相沸點的影響可以忽略不計。因此辣油鍋中油相的存在并不會使水的沸點降低。

排除熱導率是引起辣油鍋先沸騰的主要原因。根據熱導率測試結果，油相的熱導率更低，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，結果發現體系的沸騰速率并沒有發生顯著的改變。這說明油相的加入是導致辣油鍋先沸騰的關鍵因素，而辣椒相關的元素對沸騰的影響可以忽略不計。

通過對比沸騰時間和現象觀察后認為，油的低密度和低蒸汽壓是使辣油鍋先沸騰的關鍵物性。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，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，牛油發生熔化。液態的牛油與水難以互溶且密度小于水，導致液態牛油浮在水相上方，此時水-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，油水混合物的整體蒸汽壓下降，水更難向空氣中蒸發帶走熱量。體系內的熱損失減小，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-固態牛油（左）和水-液態牛油或大豆油（右）的相界面示意圖

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

3 結論

通過試驗對比辣油鍋和清湯鍋沸騰時間的差異，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。得到以下結論：

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

試驗測試發現辣油鍋主要成分大豆油和牛油的比熱容、熱導率和飽和蒸汽壓等關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、降低體系內熱損失，可能是辣油鍋先沸騰的關鍵原因，大豆油體系的沸騰時間比牛油體系更短。比熱容和熱導率對縮減沸騰時間作用不大。

辣椒素和干辣椒對辣油鍋的沸騰時間影響不大，可證明水-油兩相結構是導致辣油鍋沸騰時間的縮減主要原因。

針對生活中常見的鴛鴦鍋辣油鍋先沸騰現象，開展科學的試驗測試，對揭示這一現象背后的科學原理提供相關證據。