如何用微波炉煮整个鸡蛋而不爆炸?

如何用微波炉煮整个鸡蛋而不爆炸?

知乎上的这类问题还有很多:

这类问题沉寂这么久,让我来尝试解决一下吧。

这篇答案稍长,开wifi后慢慢看。

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上周我就出现了这样的笑话,课间休息时,我把熟鸡蛋整个放进微波炉中加热,结果就是“爆蛋”:

我使用的是“Reheat”功能,加热时间是三分钟。期间,“噼里啪啦”之声不绝,我还以为是谁在屎尿屁,在花了我5分钟清理时间的代价之后,我觉得微波炉太不要脸了,不能让它装逼,我要进行改进实验一下:如何用微波炉煮鸡蛋而不爆炸。

当然这个实验室非常危险的:

以上实验者或自觉或不自觉地为实践真理付出了惨痛的代价,所以希望大家警醒一下。

好了,在开始实验之前,我需要解释两件事(如果你不感兴趣,直接跳到第二条分割线后):

1.微波炉的简要工作原理;

2.为什么带壳鸡蛋在微波炉的加热之下会爆炸;

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1.微波炉的工作原理

参考视频:

微波炉是一项可以载入史册的工程应用,它赖以成名的快速加热可能来自于真空电子管(Vacuum Tube):

图片来自

对于逃课的同学,简单介绍一下:

如上图所示,真空电子管的结构有:可以发射电子的阴极(K)、需要加载工作电压的阳极也叫屏极(P)、通过电流发光发热的灯丝(F)同时激发阴极发射电子以及位于阴阳极之间控制电子通过流量达到控制阴阳极之间电流作用的控制栅极(G)。

因为电子在运动中会与空气分子产生阻力,所以为了达到良好的移动效果,必须将管抽成真空(Vacuum State) 。如果真空度不足,常常会看到空气分子的原子被因为被电子达到而达到激发太发出红光。因此,在真空电子管内常常会装有一种由钡、铝等活泼金属组成的合金,作为除气剂。

当然,如今提到真空电子管,你可能会想到的老旧电视里的这种:

图片来自

微晶体管和芯片的淘汰和更新在所难免,但如果要把这个真空电子管丢进博物馆还太早了。芯片并不能代替真空电子管产生热量,比如,去加热食物。

一台微波炉一般包含三个主要组成部分:

(1)磁控管的真空电子管,用来提供加热食物的能量;

(2)一个内置的导波管,可以将能量导向食物;

(3)大腔室,用以放置食物并把微波辐射锁定在内。

Heat is the transfer of energy by temperature differences; at the microscale it is the increased motion of molecules.

引自

从本质上来讲,微波炉的加热方式与其他热传导相比并没有什么不同,从微观层面上看,热传递其实是能量传递导致物体内部分子运动的加剧。

当然了,我们都不是处在分子原子的尺度上,因此无法直观察觉到剧烈的运动,但我们感知这种现象的方式为温度的上升。当我们用传统的烤箱或者炉子加热食物时,一般把食物放在盘子上置于火头上(蒸包子)或者放在可以直接被发热面烘烤的烘箱里面(烤披萨),因此食物就会由外及内地被烤熟。

食物的里面熟了,那是热量从表面传递进来的。

然而,与此相反地,从磁控管发出的热量穿透直达食物的内部,这就意味着整块食物可以同时煮熟了。

那么,这是怎么做到的呢?

首先,食物的内部都含有水分,众所周知,水分子是极性分子,一头带正电荷,另一头带负电荷,为了赋予这些分子更多的能量,将其置于电磁波的环境之下,根据物理学定义,电磁波同时具有电场和磁场,它们之间不断快速地切换相位,在微波炉之中,电、磁场的变速速度达到了24.5亿次/秒。

而水分子会随着电场的变化进行重新排列,这样变换的电磁场不断的“蹂躏”水分子,同时快速前后运动和摩擦,这个产生热量的运动断裂了邻近水分子之间的氢键。

下面,用一种简单的方式测量一下微波波长。把奶酪放进微波炉之中加热。

注意看加热之后的奶酪,看到这个区域的奶酪,已经完全融化,但是其他区域并没有

微波炉的炉壁只反射微波,使之落在腔室之内。驻波会在箱内产生热点和冷点,电磁波的三维图样分布是难以预计的,但可以通过单维度的波形来窥其原理,波峰、波谷都代表波的极值能量,这里的波节点对应于腔室内的“冷”点。

量一下融化的奶酪之间的距离,大概是2.5英寸(6.35cm),这是半个波的长度,也即波节点之间的距离,是非常接近微波的真实波长。

利用这波长可以估算出微波的频率,频率跟波长有关,算出的答案跟真实值大约有5%左右的误差。

大家可以自行找出微波在电磁波谱中的位置:

图片来自

不过,微波炉真正有技术含量的是:磁控管的发明。

它可以产生高能的电磁波,这就是碉堡的玩意。真空电子管位于这里面,外面是散热片,薄金属片是为了磁控管散热所用的,关键是这两个磁铁和电子管。

来看看内部结构:对着内芯和外侧铜环施加高电压,电压将电子从内芯“翻腾”出去,他们朝着外侧的铜环飞去,内芯由钨和钍组成,钨可以承受高温,钍是发射电子的好材料。

磁铁使得这些电子在内芯和铜环之间做轮摆运动,通过调整磁场强度,轨道上的电子束刚好掠过谐振腔口,这就像在一个装有半瓶水的瓶口吹口哨,于是产生了用于加热食物的微波。

令人称奇的是,这些谐振腔室制造起来具有精度高、成本低和可靠性极高的优点。

2.微波加热带壳鸡蛋

在知道了微波炉的加热原理之后,微波鸡蛋变成爆蛋的原理也呼之欲出了:

引自

从磁控管发出的热量穿透直达食物的内部,因此往往鸡蛋内部的温度比外壳的温度要高。这就意味着,在微波炉内,加入把鸡蛋放到水中加热至沸腾,鸡蛋的温度甚至会超过100摄氏度。在这样的高温条件下,蛋内的水分(大部分来自蛋白)就会开始汽化,无论蛋白是否是固态。如果内部的压力超过蛋壳所能承受的破裂强度,那么鸡蛋就会爆炸,俗称“爆蛋”。

其实,对于大多数物体来说,只要内部含有一定的液体(不管是什么形态的存在)或者任何可以被蒸发的物质,外部裹着一层外皮、外壳或者封闭的可以阻止汽化的蒸汽逃散的结构,那么这些物质都有可能具备在微波炉内加热爆炸的危险。一句话就是,在食物的内部所引起的压力内增如果得不到良好的释放,不发生爆炸是不可能的。

如果你不信,我们可以一起来看看还有那些物品会被微波“引爆”:

以上图片均来自

当然了,不会有人二到这种程度去调戏上面那些物品,但是保不齐有时大脑短路了呢?所以在使用微波炉之前阅读说明书是很重要的。

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那么,假如你真的很作,就是想用微波炉煮鸡蛋,那么下面这个方案也许会适合你。

先取少量粗盐,大概这么多:

把盐融入凉水中,不要搅拌,记得水面要没过鸡蛋:

我使用的是微波炉的“Popcorn”功能,设置时长为8分钟:

记得取鸡蛋的时候要带手套或者用保护措施,水非常的烫!

然后,把鸡蛋切开,bingo!熟了:

当然,我不会吃的,留给二逼室友吃。

在这之前,我做了两次实验。第一次实验失败了,不是爆蛋,而是我用的是“Reheat”功能而加热时长是5分钟,随后我发现鸡蛋并没有熟透;第二次实验,我尝试了“Popcorn”功能,加热时长为10分钟,大家可以看看:

也是熟的。第三次实验只是为了减少加热时长,并看看效果如何。

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你们可能会问,加了水不就可以了吗?为什么还要多此一举,再加盐呢?

因为Superheating,也叫作过热现象。

这是个有趣的现象,但如果你不小心的话它也可以是一个trouble maker。

引自

怎么说呢,在物理学定义里,过热(有时也作沸腾延迟)是一种将液体加热至超过其沸点而不发生沸腾的现象。要达到过热状态,你需要在一个干净的容器里加热均质物质,不能有任何的成核位点,还需要心细地保证液体不受到任何扰动。

过热现象也会发生在微波炉里加热不受扰动的装水容器情形下,当你拿走容器后,水看上去就像是没有达到沸点。不过,一旦水受到扰动,部分的水分子会剧烈地蒸发为蒸汽,有很大的可能会从容器中喷溅出沸腾的液体。摇个水杯、搅拌一下液体、加入速溶咖啡粉末或者方糖都有可能触发沸腾。使用相对光滑的容器更有可能导致过热现象,因为一般器壁上的刮痕或者缺口可以贮存少量的空气作为成核位点。

大家可以看看这个视频:

看不了的童鞋,我截个图给你们看看:

如上图,《探索发现》频道做了一个实验,把一颗方糖放入微波炉加热后的水中。

如上图,你可以看到如海浪般翻滚咆哮的沸水,而一旦被溅撒到,后果不堪设想。

相似的情形也发生在放入搅拌棍或者任何一种物理碰撞:

放入一把叉子进去,大家看:

叉子被弹飞,沸水炸出来,被溅撒到脸上是非常伤害感情的。

那么,加入粗盐或者沸石或者小石子,就是为了增加成核位点。

引自

)

我们知道要让液体正常沸腾,需要形成小泡泡,把大量的蒸汽压带走。而形成小泡泡的一个重要因素是泡泡的成核位点,也就是粗糙的界面,我来稍微解释一下。

这是一个二维的模型:

S是surface的简称,指代界面;N是nuclear的简称,代表晶核;E是electrolyte的简称,代表电解质溶液。我们来看,θ是接触角,r是曲率半径,a是接触面的半径(a = r sin θ),h是电沉积物质的高度[ h = r(1− cos θ) ],晶核N的体积为:

,其中:

晶核N的表面积为:

,其中:

根据公式,总的转化吉布斯自由能为:

上式中的变量

是摩尔体积转化自由能,变量

是晶核N与电解质E间的界面自由能,变量

是颗粒表面S与晶核N间的界面自由能,变量

是颗粒表面S与电解质E间的界面自由能,另外,

是泡泡物质离子的价态,F是法拉第常数,Ω是摩尔体积,η是过电势。

引入这个表面张力后,将粘附力忽略不计,可以简化总吉布斯自由能:

这是一个对r(曲率半径)的函数,令

,于是可以得到形成稳定沉积物的临界半径

:

把临界半径(式子3)带入总转化吉布斯自由能,可以得到形成泡泡沉积的临界吉布斯自由能:

其中,

为整个体相的吉布斯自由能,数值上正好对应于接触角θ=180°,过电位η=0的临界吉布斯自由能。

将临界过电位与不同接触角在不同的临界吉布斯自由能下作图:

从上面这张图可以看出,当接触角越小,体相吉布斯自由能越大,所需要的临界过电势就越小,换言之,形成泡泡的过程就越容易进行。这也是为什么在粗糙的界面上比较容易形成泡泡的原因所在。

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参考文献

视频类:

维基百科:

)

科普文献:

个人喜欢的youtube美食频道以及野生实验专栏推荐:

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需要强调的是,微波煮蛋是具有危险的实验,并不能保证100%都能成功,你呈现了仪器安全规范中明确禁止的操作,即便你这次成功了也并不代表你下次不会受伤,这就好比你闯红灯或者吃过保质期的食物,你大可炫耀你的毫发无损、安然无恙,但被车撞、被变质食物毒害腐蚀是你要承担的代价,而这个代价太过沉重,一旦需要你支出,那么很可能就是生命的价格,谨记。