厨房里的科学：馒头、爆米花……火箭，咱们分子有力量

科学距离我们很遥远吗？不，其实我们每一天都在“看见”科学。

科学已经用足够的证据告诉我们，我们生活的世界是由原子组成的。这些微小的物质粒子拥有相似的结构，它们都是由外层带负电的电子围绕着带正电的质量较大的原子核组成。本文不是要带着大家去复习原子结构的知识，这里要讲的是，由原子、分子组成的气体的“膨胀”和“爆炸”行为。

一提到“膨胀”或者“爆炸”，大家肯定会觉得没有好事。事实上，人类一直都在利用着气体的体积“膨胀”现象来丰富我们的生活内容，或者是提高生活品质，今天我们更是用它来开拓宇宙。

一、爆竹

最容易想到的爆炸应该是爆竹了吧。马上就又要过年了，这种用纸卷包裹着火药和氧化剂的小东西给我们带来了很多的节日气氛。中国最早的爆竹是用我们的四大发明之一“黑火药”制成的。其配方通常表示为“一硫二硝三木炭”，反应过程如下：2KNO3+ S + 3C ==== K2S + N2 ↑+ 3CO2↑。

当点燃引信，酸钾分解放出的氧气，使木炭和硫磺剧烈燃烧，瞬间产生大量的热和氮气、二氧化碳等气体。由于体积急剧膨胀，产生的压力猛烈增大，足以胀破纸卷，纸卷爆裂引起空气剧烈震荡，就产生了爆炸的声音。

据测，大约每4克黑火药着火燃烧时，可以产生280升气体，体积可膨胀近万倍。在爆炸时，固体生成物的微粒分散在气体里，所以产生大量的烟。由于爆炸时有K2S固体产生，往往有很多浓烟冒出，因此得名黑火药。

二、馒头

除了爆竹这种利用气体的快速膨胀带来的声音效果，其实人类更多的是利用相对温和一些的气体膨胀现象。最常见的案例就是蒸馒头。

馒头或面包只是用面粉和酵母等基本成分制成。酵母其实是一种叫做真菌的小生命，它们在温水的刺激下，生命的活性增加，开始分解和消化面粉中的糖，并且会代谢产生二氧化碳，这些二氧化碳气体被困在面团中。

上了蒸锅之后，剩余的真菌会拼命的吞噬糖并释放出二氧化碳，这些面团中被困住的二氧化碳的体积会在温度升高的情况下，迅速膨胀，并在面团内撑起一个个的小空间。这就是我们看到的馒头中的那些小孔。当然了，随着温度的增高，最后这些真菌都会死掉，馒头也就不会再继续变大了。

三、爆米花

另外一种我们比较常见的利用气体膨胀现象来制作的食品就是爆米花。人类食用爆米花的历史已经有几千年了。制作爆米花最常见的原料是玉米、大米和小米，我们就以玉米为例。

干玉米粒中富含多种营养成分（碳水化合物、蛋白质、铁和钾），但它们都被坚韧的外壳紧紧包裹在致密的种粒里面。我们在平底锅内放入油，然后上火加热，之后就是把干玉米粒放到锅里，好戏就开场了。

玉米粒中的胚乳是给胚芽提供生长养分的原料，它的含水量大约为14%，这些胚乳在被热油加热之后，其中的水分就开始蒸发变成气体。这些高温的水分子左冲右突。但是它们却被困在玉米粒的种皮之内。现在，每一个小玉米粒都变成了一个小高压锅，水分子无处可逃，所以玉米粒中的气体压力就会越来越大。

随着气体分子不断相互碰撞，及撞击种皮，种皮承受的压力也逐渐攀升。不过，玉米粒种皮所能承受的压力毕竟是有限的，当玉米粒的内部温度上升到180°时，内部的气压接近10个标准大气压。随着第一声清脆的爆裂声开始，平底锅内的的爆裂声就开始越来越激烈。

在爆裂的瞬间，其实是因为种皮无法再继续困住水蒸气，冲破了种皮的桎梏。玉米粒中的其它物质也由之前的10个大气压迅速暴露在1个大气压的环境当中，再也没有什么东西能拦住玉米粒中的物质，于是玉米粒中的凝胶开始爆炸性膨胀，直到其内部和外部气压相等。

致密的白色凝胶变成了蓬松的白色泡沫，整个玉米粒向外翻了过来，然后逐渐冷却固化，整个膨化过程就此结束。

四、高压锅

除了前面的使用气体膨胀的例子之外，我们的厨房里其实还有另外一种利用气体行为的装备“高压锅”。不过这种装置，不是利用气体体积变化来制作食物，而是利用被困住的气体分子的行为。

当高压锅内的水被加热产生大量的水蒸气，这些水蒸气就被困在高压锅内。就跟前面讲的玉米粒中的水分子的情况一样，这些水分子之间，以及水分子与高压锅内壁之间发生激烈的碰撞，水分子的速度不断变快。

这样高压锅内的水蒸气的温度，就可以超过在一个标准大气压下的温度。换句话说，就是这个时候高压锅内的水的沸点超过了100°。高压锅就是利用压力增加来提高水的沸点，利用更高的温度，来加速食物变熟的装置。

写到这里，看似我们把馒头、爆米花、爆竹的原理都解释清楚了，但是科学家们不会满足于这样粗糙的解释，他们希望能了解更深入的问题。在这些情况下，组成这些气体的那些微小单元（原子、分子）究竟发生了什么，才产生了这些现象？

早在1662年，英国科学家波义尔发现，压强增加，容器内的气体体积就会缩小，容器内的气体压强与体积成反比。这就是波义尔定律。100年后，法国物理学家查理发现，气体的体积与温度成正比。这被称为查理定律。

如今我们已经知道，波义尔定律和查理定律，其实都是组成气体的分子的微观粒子的行为在宏观上的统计学表现。在标准大气压下，室温条件下，我们的氧分子（两个氧原子组成）会以1500千米每小时的时速去不断撞击以320千米每小时运动的氮气分子（两个氮原子组成）。

有了对于这些微观现象（原子、分子行为）的理解再配合波义尔定律和查理定律，我们就可以非常明确地了解到蒸馒头、爆米花和高压锅内发生的具体过程了。

不过这里仍然要提一个反直觉的概念：单个分子没有“温度”一说。温度是一个宏观的量，它是指一团气体分子，单个分子无所谓温度。所以说，温度实际上是描述分子平均动能的一个物理量。

六、蒸汽机

波义尔定律和查理定律的发现，给我们人类社会带来了巨大的变革，一举推动人类社会进入蒸汽时代。我们当地的一所高等学校院内，展放着一辆蒸汽火车头。仰望这个巨大的铁家伙，你很难想象它其实就是一个带轮子的锅炉，上面烧着一大锅开水。爬进驾驶室，我们会发现，如果要开动这个大家伙，就需要不断给那个炉子里添煤。燃烧释放出来的热量，使得锅炉里的水沸腾蒸发，产生高压的水蒸气。

所以，我们可以把这个锅炉看作是生产无数高速运动的水分子的机器。就跟前文提到的玉米粒中发生的现象一样，这些高速运动的水分子，被困在一个狭小的空间中。需要释放这些水分子的能量的时候，就会有一个阀门被打开，让这些水分子，在被控制的情况下，有条件地释放出去。

数以亿计的水分子，通过阀门，传过管道，疯狂地撞击在活塞上，活塞就会产生滑动。活塞的直线运动，再由与之相连接的连杆和曲轴，转变成车轮的转动，我们的火车就可以在铁轨上前进了。

七、火箭

现在我们要来说一下火箭，因为火箭同样是利用气体分子的撞击来推动物体的运动，从本质上来说，跟蹦爆米花和蒸汽机的基本原理是一样的。与蒸汽机在可控的情况下，稳定可控地释放那些分子的动能不同。人们设想，如果不经过转换，直接释放能量的效率是不是可以更高呢？其实，火枪、大炮和爆竹都是这种思路的早期产品。

到了20世纪，在一战前夕就出现了一个这样的疯狂德国人，楚克尔。他研制了一种长度大约是1米的金属圆筒，圆筒内是一根装满了粉末状炸药的铜管，喷嘴位于圆筒的底部。这枚火箭被安放在一个支架上，斜斜地指向天空。我怎么看都感觉这个很像现在叙利亚反对派制造的煤气罐火箭弹。

发射的时候，利用电池点燃炸药，产生大量的高压蒸汽。这些由数以亿计高速运动的气体分子就会猛烈撞击火箭顶端，推动火箭向前飞行。由于火箭尾部是开放的，所以燃烧后的废气只能通过喷嘴直接排放到大气中。推力的失衡就使得火箭可以高速向前飞行。

德国的V1和V2导弹就是在这样的背景之下得到了长足的发展，并且在二战中崭露头角。战后，各国都觉得火箭的潜力无限，开始加大力气投入研发。随后的故事大家都了解，除了出现了大量用于军事用途的导弹，更是带来了人类航天技术的发展。火箭成为了人造地球卫星，空间站、登月的运载工具，开启了人类宇宙航行的新纪元。

特别要提一句，前几天，我们中国的“胖五”火箭发生成功，这意味着，我们中国首次火星探测的运载工具已经成熟，年底前择机发射的条件已经具备。让我们一起来期待着，那个让国人激动的时刻吧。

结束语

馒头、爆米花、高压锅、蒸汽机、火箭……这些看似不相关的东西，其背后都遵循着相同的物理定律。掌握了这些规律，我们就能够让组成物质的分子、原子按照我们的需要去运动，从而实现我们的目标。是要蒸出松软的馒头，还是要推动火箭上天，我们都需要分子和原子的帮助。

这是原子、分子的力量！

这也是科学的力量！