热与温度的科学

这是摘自我的书，食品实验室:通过科学改善家庭烹饪这本书是对食品科学世界的宏大探索，以及它如何使日常家庭烹饪更简单、更美味。现在任何卖书的地方都有卖，或者在线．

烹饪是什么?

我知道你急切地想马上开始做饭，但首先回答这个问题:什么是做饭?

如果你是我的妻子，你的回答会是，“这是当你的眼神变得疯狂时你会做的事。”一个伟大的厨师可能会告诉你，烹饪就是生活。我妈妈可能会说这是一种苦差事，而我妻子的阿姨会告诉你，烹饪是文化、家庭、传统和爱的体现。是的，烹饪是所有这些事情，但有一个更专业的方式来思考它:烹饪是关于转移能量。它是通过加热来改变分子的结构。它是关于鼓励化学反应来改变味道和质地。它是关于用科学制造美味的东西。在我们开始理解我们烤汉堡包时发生了什么，或者我们可能想在厨房里储备什么设备之前，我们必须先在头脑中记住一个非常重要的概念，因为它会影响我们在厨房里做的一切，从我们使用什么锅和平底锅开始。它是这样的:热量和温度不是一回事。

从最基本的角度来说，烹饪就是将能量从热源转移到食物中。这种能量导致蛋白质、脂肪和碳水化合物的形状发生物理变化，并加快了化学反应发生的速度。有趣的是，大多数时候，这些物理和化学变化是永久性的。一旦蛋白质的形状因添加能量而改变，你就不能再通过移除能量来改变它了。换句话说，你不能生牛排。

热和温度之间的区别可能是厨房里最令人困惑的事情之一，但掌握这个概念对帮助你成为一个更理性的厨师至关重要。根据经验，我们知道温度是一种奇怪的测量方法。我的意思是，我们几乎所有人都曾在华氏60度的天气里穿着短裤舒适地四处走动，但跳入华氏60度的湖水时却感到可笑的寒冷，对吧?为什么在温度相同的情况下，一个会让我们感到冷，而另一个却不会?让我试着解释一下。

热是能源。三级物理学告诉我们，从我们周围的空气到烤箱侧面的金属，一切都是由分子组成的:快速振动的极小的东西，或者在液体和气体的情况下，以随机的方式快速反弹。一个特定的分子系统被添加的能量越多，它们振动或反弹的速度就越快，它们将这种运动更快地转移到所接触的任何物体上——无论是金属锅中振动的分子将能量转移到滋滋作响的多汁肋眼牛排上，还是烤箱中反弹的空气分子将能量转移到正在烘烤的硬皮面包上。

热量可以从一个系统传递到另一个系统，通常是从能量较高(较热)的系统传递到能量较低(较冷)的系统。所以当你把牛排放在热锅里煮的时候，你实际上是在把能量从烧锅系统转移到牛排系统。这些增加的能量有一部分用于提高牛排的温度，但大部分被用于其他反应:使水分蒸发需要能量，导致牛排变褐的化学反应需要能量，等等。

温度是一种测量系统，可以让我们量化一个特定系统中有多少能量。系统的温度不仅取决于该物体的总能量，还取决于其他一些特性:密度和比热容。

密度是对给定空间中物质分子数量的测量。介质密度越大，在一定温度下所包含的能量就越多。金属的密度通常比液体大，而液体的密度又比空气大。所以，比方说，60华氏度的金属比60华氏度的液体含有更多的能量，而60华氏度的液体比空气含有更多的能量。

好吧，自作聪明的先生。是的，在足够高的温度下，金属会融化成非常稠密的液体，是的，更聪明的先生，水银是一种密度非常大的金属，即使在室温下也是液体。你已经不这么想了吗?好了，我们继续。

比热容是将一定数量的物质提高到一定温度所需要的能量。例如，使一克水升高一摄氏度正好需要一卡路里的能量(是的，卡路里就是能量!)因为水的比热容比铁的比热容高，而比空气的比热容低，所以同样的能量能使一克铁的温度升高近10倍，而使一克空气的温度升高仅为其一半。一种材料的比热容越高，将该材料的温度提高相同的度所需要的能量就越多。

相反，这意味着在同样的质量和温度下，水所含的能量将是铁的10倍，是空气的一半。不仅如此，还要记住空气的密度远小于水的密度，这意味着在给定的温度下，给定体积的空气中所含的热能只是相同体积的水在相同温度下所含能量的一小部分。这就是为什么把手伸进212华氏度的沸水锅里会被严重烧伤的原因，但你可以毫不犹豫地把手臂伸进212华氏度的烤箱里下面是“实验:温度与能量的对比”）.

困惑吗?让我们做个类比。

想象一下被加热的物体是一个鸡笼，里面有十来只可能不守规矩的鸡。这个系统的温度可以通过观察每只鸡跑得有多快来测量。在正常的日子里，鸡可能会随意走动，啄食，抓挠，拉屎，做任何鸡做的事情。现在，让我们在他们的饲料中混合几罐红牛，为等式增加一点能量。适当的刺激，鸡开始跑两倍的速度。由于每只鸡都在以更快的速度奔跑，系统的温度上升了，其中的总能量也上升了。

现在假设我们有另一个同样大小的鸡舍，但鸡的数量是原来的两倍，因此密度是原来的两倍。由于鸡的数量是原来的两倍，所以需要两倍的红牛才能让它们以更快的速度奔跑。然而，即使最终的温度是相同的(每只鸡都以与第一只鸡相同的最终速度奔跑)，第二个鸡笼内的总能量是第一个鸡笼内的两倍。所以，能量和温度不是一回事。

现在如果我们再建一个鸡笼，这次用12只火鸡而不是鸡，怎么样?火鸡比鸡大得多，要让一只火鸡跑得和鸡一样快，需要喝两倍的红牛。所以火鸡鸡笼的比热容是第一个鸡笼的比热容的两倍。这意味着，如果有12只鸡以一定的速度跑来跑去，12只火鸡以相同的速度跑来跑去，火鸡体内的能量将是鸡的两倍。

总结:

• 在给定的温度下，密度越大的材料通常含有更多的能量，因此更重的平底锅煮食物会更快。(相反，将密度较大的材料提高到一定的温度需要消耗更多的能量。)
• 在一定的温度下，比热容高的材料将包含更多的能量。(相反，一种材料的比热容越高，使其达到某一温度所需的能量就越多。)

在这本书中，大多数食谱都要求将食物烹饪华体会体育手机端APP到特定的温度。这是因为对大多数食物来说，加热到的温度是决定其最终结构和质地的主要因素。一些反复出现的关键温度包括:

• 32°F(0°C):水的冰点(或冰的熔点)。
• 130°F(52°C):五分熟的牛排。这也是大多数细菌开始死亡的温度，尽管在这个温度下对食物进行安全消毒需要2小时以上的时间。
• 150°F(64°C):半熟牛排。蛋黄开始变硬，蛋白不透明但仍然像果冻一样。鱼类的蛋白质会绷紧到白蛋白会被挤出的程度，给鲑鱼等鱼类一层不吸引人的凝固蛋白质。在这个温度下大约3分钟后，细菌经历了7 log的还原过程——这意味着每100万个细菌中只有1个会留下来。
• 160°至180°F(71°至82°C):全熟牛排。鸡蛋蛋白质完全凝固(这是大多数蛋奶沙司或以鸡蛋为基础的面糊完全凝固的温度)。细菌在1秒内减少7对数。
• 212°F(100°C):水的沸点(或蒸汽的凝结点)。
• 300华氏度(153摄氏度)及以上:在这个温度下，美拉德褐变反应——在牛排或面包上产生深棕色、美味的面包皮的反应——开始以非常快的速度发生。温度越高，这些反应发生得越快。由于这些范围远远高于水的沸点，所以面包皮会变得酥脆脱水。

能量和热传递的来源“，

既然我们已经确切地知道了什么是能量，我们还需要考虑第二层信息:能量是如何转化为食物的。

传导是能量从一个固体直接转移到另一个固体。当你拿着热锅把手烫伤时就会发生这种情况(提示:不要这样做)。从一个表面振动的分子会撞击另一个表面相对静止的分子，从而转移它们的能量。这是迄今为止最有效的传热方法。下面是一些通过传导传热的例子:

• 灼热的牛排
• 把披萨的底部弄脆
• 烹饪炒蛋
• 在汉堡上做烧烤痕迹
• 煸炒洋葱

对流是通过流体的中介，即液体或气体，将能量从一个固体转移到另一个固体。这是一种中等效率的传热方法，尽管在烹饪中它的效率很大程度上取决于流体在食物周围流动的方式。流体的运动称为对流模式．

一般来说，空气在给定表面上流动的速度越快，传递的能量就越多。静止的空气会迅速消耗掉它的能量，但有了流动的空气，能量的供应就会不断地得到新空气的补充，新空气在食物等物质上循环流动。例如，对流烤箱的风扇可以保持内部空气以良好的速度流动，以促进更快、更均匀的烹饪。同样，在油炸时搅动油可以更有效地使食物变脆变黄。

以下是一些通过对流传递热量的例子:

• 蒸芦笋茎
• 煮汤圆
• 炸洋葱圈
• 烤猪肩肉
• 在烤箱里烤的披萨的顶部

辐射是通过电磁波在空间中传递能量。别担心，这没有听起来那么可怕。它不需要任何媒介来传输它。它是当你坐在火旁边或把手放在预热过的锅上时所感受到的热度。太阳的能量通过太空的真空传递到地球。如果没有辐射，我们的星球(事实上，宇宙)将会有很多麻烦!

关于辐射能要记住的一个重要事实是，辐射能衰减(即变弱)是根据平方反比定律——从辐射能源到达物体的能量与距离的平方成反比。例如，试着把你的手放在离火1英尺的地方，然后把它移到离火2英尺的地方。即使你的距离只有原来的两倍，火的热度也只有原来的四分之一。

下面是一些辐射传热的例子:

• 在火炭旁的烤肉架上烤猪
• 在烤炉下烤蒜蓉面包
• 被太阳晒黑
• 烤一些腌鲑鱼

大多数时候，在烹饪中，这三种传热方法都在不同程度上被使用。以烧烤上的汉堡为例。格栅通过传导直接加热与肉饼接触的地方，使肉饼在这些地方迅速变成褐色。肉饼底部的其他部分是通过下面煤炭的辐射来烹饪的。在汉堡上放一块奶酪，盖上盖子一会儿，就会形成对流，把煤上方的热空气带到汉堡上方，融化奶酪。

你可能会注意到，这三种类型的热量只传递到食物表面。为了使食物能够烧到中心，外层必须将热量传递给下一层，以此类推，直到食物的最中心开始升温。正因为如此，大多数熟食的外面几乎总是比中间做得更好(有一些技巧可以最小化渐变，我们会及时讲到)。

微波是我们在厨房中常用的唯一其他标准的能量传递方法，在加热食物时，微波具有穿透食物表面的独特能力。就像光和热一样，微波是电磁辐射的一种形式。当微波瞄准带有磁性粒子的物体(比如食物中的水)时，这些粒子会迅速来回翻转，产生摩擦，进而产生热量。微波可以穿过大多数固体物体，至少能穿透几厘米左右的深度。这就是为什么微波是一种特别快速的加热食物的方式——你不需要等待能量从外部相对缓慢地转移到中心。

唷!科学课已经讲够了吧?容忍我。事情会变得更有趣!

实验:温度对能量的作用

温度的定义和能量的定义之间的区别是微妙的，但非常重要。这个实验将展示理解这些差异如何有助于塑造你的烹饪。

材料

• 1个正确校准的烤箱
• 1名身体健全，外部感觉器官正常工作
• 一个装满水的3夸脱的炖锅或平底锅
• 1个精确的即时读数温度计

过程

把烤箱开到200华氏度，让它预热。现在打开烤箱门，把手伸进去，一直把手放在烤箱里，直到它热到无法承受。像你这样的硬汉可能会把它放在里面至少15秒，对吧?30秒?下去吗?

现在在炉子上放一锅冷水，把手伸进去。把燃烧器调到中高火，让水开始加热。当它加热时，用手搅动它，但注意不要碰到锅底(锅底比水热得快得多)。把你的手放在那里，直到它变得太热，无法承受，然后取出你的手，测量温度。

结果

大多数人在200华氏度的烤箱里至少能把手握30秒左右，直到它变得热得让人不舒服。但如果水温超过135华氏度，一锅水就会触痛。华氏180度的水足以烫到你，如果你把手伸进华氏212度(沸水)的水里，你会起水泡并留下疤痕。这是为什么呢?

水的密度比空气大得多——一杯水的分子比一杯空气的分子多很多倍。因此，尽管水的温度比烤箱里的空气低，但热水所含的能量远比热空气高，因此使你的手热得更快。事实上，在正常的烘焙温度下，比如350到400华氏度，沸水比烤箱里的空气有更多的能量。实际上，这意味着煮熟的食物比烘焙的食物熟得快。同样，在潮湿环境中烘焙的食物比在干燥环境中烘焙的食物熟得快，因为潮湿的空气比干燥的空气密度大。

-经授权摘录自食品实验室:通过科学改善家庭烹饪，在任何地方都可以买到w.w.诺顿的书。