我是一粒小小的玉米粒
by 高語寒
準確地說，我是一顆爆裂玉米粒。我和我的夥伴們生來帶著爆裂玉米的榮耀和自豪，立志成為一顆完美酥脆的爆米花。我們不懼艱險、堅韌不拔、勇往直前，我們是穀物界的英雄，玉米界的驕傲。
今天，我終於要踏上我的夢想之旅了，我終於可以成為爆米花了！
臨走的時候，爺爺拉住我的手，說我們爆裂玉米家族世世代代是爆米花英雄，唯獨遺憾的就是每次提到爆裂的具體流程，所有的玉米粒都語焉不詳。爆裂玉米家族卻偏偏不知道如何爆裂，這多麼丟人啊！我從小喜好觀察世界，用物理知識解釋身邊的現象。爺爺從小就說，我是我們家族的希望。
by 高語寒
「孩子，這次你也要踏上爆米花旅途了。我希望你能在一路上仔細觀察，解決我們家族多年來的難題，可以嗎？」
「爺爺，您放心吧！這個任務就交給我好了！」
於是，我帶著家族的使命和爺爺的囑託，踏上了屬於我自己、也屬於我們爆裂玉米家族的旅途。
自我介紹：「我，爆裂玉米。」
我是爆裂玉米(pop corn)出身，顧名思義，我出生於爆裂玉米世家，是最適合做爆米花的品種。
來源：百度
首先，我們擁有所有玉米粒的標準結構：由種皮、胚乳和胚三個部分組成。
當然，我們也有自己的品種特點。
我們的果穗和種子都比較小，子粒幾乎全為角質澱粉，就是說，我的胚乳幾乎全是角質胚乳。透明的澱粉粒被堅硬而有彈性的膠質包圍住，外面是比其他玉米品種更加緻密的種皮。[1]
這些是我們家族的天賦特長。但是，想要成長為完美爆米花，光有優秀的出生是遠遠不夠的。
來源：百度
高溫：煉獄磨練
我們的旅途的第一步，就是被放進容器中——也就是我們的修煉場所。不論是老式爆米花爐、烤箱、米花機還是微波爐，它們在修煉場所的角度上，功能都是類似的——即提供密閉與高溫的環境。
來源：百度
高溫的磨練開始了，看著周圍許多夥伴在高溫裡頭暈眼花、昏昏欲睡，我卻強打著精神，時刻念著自己的使命。我皺緊眉頭，認真地考量起這環境。由於我們玉米粒們身處的容器此時是密閉的，所以周圍的溫度越來越高。物理超棒的我開始思考這裡面的物理模型。假如把我身處的容器看作一個熱力學系統，空氣都是理想氣體的味道，根據範德瓦爾斯氣體方程：
我想，這個方程應該能比較好地模擬這個環境信息。
方程中，V 是容器體積可以近似看作不變，M/μ 是容器內氣體的摩爾數，也可以近似看作近似不變，而 R 是理想氣體常數，a、b 是範德瓦爾斯修正量，由氣體的性質決定，在這裡為常數。那麼，根據方程可知：
其中，p 是容器內壓強，T 是容器內溫度。也就是說，身處高溫煉獄之中的我，雖然此刻還有心情計算物理模型，但是隨著溫度的上升，我周圍環境的壓力會越來越大。雖然此刻我很難受，但是仍然在咬牙堅持著，因為我知道，這是我想要成功必須經歷的磨練。也是我們家族成員必須經歷的命運。
「故天將降大任於斯人也，必先苦其心志，勞其筋骨……」
by 高語寒
與此同時，我也能感受到我的身體內部發生著改變。
在我的玉米種皮之下的水分，原本大部分都是以結合水的形式存在著的，在不同的溫度下，我身體內的水會以液態與氣態兩種方式存在在我的籽粒中，並且維持著各自的平衡狀態。
以前在常溫下的時候呢，我的籽粒內部大約有 9.5% 的水以氣態的形式存在，而其餘的水自然是以液態形式存在了。[2]
當我不斷受熱，環境溫度逐漸升高時，我感受到身體中的液體的水分開始蒸發了，它們在蒸汽壓力下達到了熱力學平衡。
傳說，我們爆裂玉米會在某個溫度的時候開始爆裂，完成突破。
溫度在上升，160 ℃、170 ℃、175 ℃、177 ℃ .....
我知道，那個溫度，即將到來。
來源：文獻[3]
臨界溫度：爆破
當溫度上升到 180 ℃左右的時候，我已經覺得自己要承受不住這樣的溫度和壓強了。我轉頭看了看身邊的夥伴們，有些在幾分鐘前已經爆破了，有些在我看的時候正在進行他們的爆破，也還有一些夥伴和我一樣，正在承受著這磨練的痛苦，等待屬於自己的爆破時刻。
這時，我感覺到了！
我，作為一隻爆破玉米粒，在此時達到了我的臨界溫度，我生命中最重要的爆破時刻即將來臨！
這個時候我的種皮中引起的直輻射應力(orthoradial stress)超過了我種皮的極限強度，臨界溫度此時至關重要。我時刻記著爺爺的囑託，在這個關鍵的時刻更是注意力高度集中。一般來說，我和我的夥伴們的種皮極限強度為 σc≈10MPa。我們玉米粒中的臨界壓力滿足公式：
其中，t 是指我們每粒玉米粒的種皮厚度，Rk是平均的身體半徑，使得籽粒內部的臨界壓強 pc10 bar ，也就是說，我身體內壓強此時的數量級大概是10 bar，也就是約為 106Pa。[3]
啊，那我的感受應該是對的了。實際上，我感覺身體內部只有一小部分水變成了水蒸氣，其餘大部分還是液態的水。在此時的壓力和溫度條件下，一粒含有 20mg 水的玉米粒大概只有少於 1mg 的水處於氣相。[4]
我繼續嚴謹地思考著自己身體內的物理變化，畢竟我一直堅信只有相信科學並且善用科學的玉米粒才能成為優秀的爆米花，在現在這個關鍵的時刻更是如此。同時，我也意識到，我現在的觀察和計算，也許將計入爆裂玉米家族的史冊。
現在這個壓力範圍，我認為可以將我體內的水蒸氣視為理想氣體，那麼相應的臨界溫度 Tc就也可以算出來了叭！
那麼考慮到我的籽粒內部的水實際上是有兩個相位：液相和氣相的。所以我想到了運用克拉珀龍方程(Clapeyron equation)來解決問題：
在一定溫度和壓力下，任何純物質達到兩相(由 α 相轉變到 β 相)平衡時，有：
這個方程表明了在一級相平衡曲線上任一狀態的斜率 dp/dT 與狀態參量以及相變潛熱之間的一個關係。其中 Lm 是相變發生時的相變潛熱，Vα,m 和 Vβ,m 分別是物質處於兩個相時的體積。[5]
那麼考慮水汽化過程的情況，有 Vβ,m>>Vα,m，則克拉珀龍方程可近似表示為:
我體內的水蒸氣又近似為了理想氣體，就有這樣的關係,可以得到臨界溫度：
純水在標準沸騰條件下 p0≈1bar, T0= 100℃,R≈8.3Jmol1K1 是氣體常數，純水汽化熱是 Lm≈4.14× 104Jmol1，所以可以計得出我爆破的臨界溫度 Tc 大約在180C左右。[5]
就是這個時候！
我的種皮再也承受不住內部巨大的壓強了！這個瞬間，我的種皮破裂了。而我的角質胚乳的澱粉粒在水分和高溫的作用下早已糊化變成了超熱澱粉糊，此時此刻，我的澱粉糊從種皮中噴湧出來，澱粉糊的膨脹近似為一個絕熱膨脹過程。在 1/15 秒內，膨脹完成，我降溫凝結成了一顆形狀完美、爆裂均勻的爆米花球！[3]
by 高語寒
我此時的心態是如此激動興奮！更令我感到開心的是，我看見身邊的同伴也紛紛爆裂成功，成長為一顆顆好看的爆米花！
我深深地為我們爆裂玉米家族感到自豪！正是因為我們結實的種皮和超高的角質胚乳含量，才使我們在破裂前內部壓強可以更大，爆裂出來澱粉糊也更大更蓬鬆！這是我們得天獨厚的優勢，是別的品種玉米或者其他穀物就算用老式爆米花爐提供外界壓強都追趕不上的膨脹程度。
霹靂舞：旋轉跳躍我不停歇
我們抑制不住內心的喜悅之情，情不自禁地開始舞蹈。在剛剛我的種皮破裂的瞬間，我膨脹出來的澱粉衝擊在容器底部，然後反彈，幫助我跳躍蹦躂。值得注意的是，在噴射出水蒸氣的時候我並沒有像火箭一樣因為噴氣而運動。我的舞蹈，是由我自身的澱粉「胳膊」或者「腿」幫助完成的。[3]
上圖是旋轉跳躍的爆米花夥伴的側影快照。來源：文獻[3]
我的觀察和記錄自然還在繼續。爆裂後霹靂舞也是我們家族的傳統藝能。如果我今天能系統地把舞步做好記錄，豈不是後代的玉米粒們的舞蹈就更完善好看了嗎！
我想，在先前的升溫過程中，我的身體應當已經儲存熱能和彈性勢能了，然後它們中的部分會釋放到我的膨脹開的澱粉四肢中。而我還有一些其他的行為，比如種皮裂開，發出爆裂聲音還有澱粉膨脹部分的無彈性反彈，也都是能量的耗散過程。
我的自身的動能可以分為水平、豎直和旋轉動能:
其中， m是我的內核質量，m≈170mg，而我近似看作球形，則轉動慣量I=2/5mRk 。水平初始速度 vx0≈0.12ms1，豎直初始速度 vz0≈0.39ms1，初始的旋轉角速度為 ω0≈120rads1，也就是說，我的初始跳躍動能 E0≈ 20J 。
而若是想要在空中轉圈圈，那麼就儘量把動能轉化為旋轉的動能。那麼水平方向最好運動動能為零，設 α 為豎直方向運動動能和總動能之比，則有：
再聯立關係式：
可以得到我在空中的旋轉角度：
所以，當 α=1/2 時，即當垂直和旋轉動能之間均等地分配了可用能量時，旋轉的角度最大。
代入數據可以得到，我最大可以旋轉約 500。
來源：文獻[3]
真是太好了，爆米花霹靂舞的方法也記下來了！[3]
「嘭！」：凱旋之音
我們爆米花在形成過程中還會發出「嘭！」的聲音來歡慶勝利，這一聲被我們稱為「凱旋之音」，也是我們爆裂玉米的英文名字「pop corn」的由來。實際上對於我們來說，一聲「嘭！」究竟是如何發出的一直是個小小謎團，大致有三種猜想：
(1)我們種皮裂紋破裂；
(2)容器底端反彈我們爆米花的聲音；
(3)加壓水蒸氣從身體內釋放的聲音。
by 高語寒
參考文獻：
[1] 孫麗娟，李京珊，王步軍，等.不同油爆條件對不同類型爆裂玉米爆花特性的影響.食品研究與開發.DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2020.07.007.
[2] 饒春富，張蔭成，胡春花，等.爆裂玉米膨爆機理探討.新疆農業科學.1991.(4)
[3] Emmanuel Virot and Alexandre Ponomarenko. Popcorn: criticaltemperature, jump andsound. Published:06 March 2015https://doi.org/10.1098/rsif.2014.1247
[4] Heiser C B. Seed to Civilization. San Francisec,U.S.A.,1981:105.
[5] 劉玉鑫.《熱學》.北京大學出版社. 2016年4月第一版.
編輯：fengyao
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