爆米花為什麼會爆開？
― 每一粒都是小小的壓力鍋
堅硬的黃色玉米粒，在某個瞬間「啵！」地變成白白軟軟的樣子。裡面可不是藏了火藥。讓它爆開的，是粒中只占一點點的「水」。這些水被關在堅硬的外殼裡受熱，粒內的壓力會變成汽車輪胎的4倍左右。
在平底鍋裡放進爆米花玉米粒和油，蓋上鍋蓋開火加熱。一開始，什麼事都沒發生。
過了幾分鐘，有一粒「啵」地爆開。接著啵、啵、啵啵啵啵……一下子熱鬧起來，膨脹到把鍋蓋都頂高了。
如果小朋友問你：「為什麼會爆開？」你會怎麼回答？只說「因為很燙」可不夠。因為烤玉米的玉米粒，不管怎麼烤都不會爆開。
爆開的原因，只有兩個
看起來乾乾的玉米粒，也含有約占重量14％的水。受熱的水想變成水蒸氣，用力從粒的內部往外推。
爆米花用的玉米粒，外殼堅硬，幾乎沒有縫隙。無處可逃的水蒸氣壓力不斷累積，一超過極限，外殼就破了。
也就是說，每一粒都是蓋緊鍋蓋的「小小壓力鍋」。和壓力鍋不同的是，它沒有安全閥。所以到最後，只能爆開。
粒的裡面，到底有幾個大氣壓？
沒有蓋子的鍋子裡，水在100℃沸騰，變成水蒸氣跑掉。但被關住的水，水蒸氣跑不出去，溫度越高，水蒸氣往外推的力量（壓力）就越強。
請看圖1。橫軸是加熱的溫度，縱軸是粒內的壓力。100℃時是1大氣壓，和周圍的空氣一樣。但隨著溫度上升，曲線越來越陡地往右上方爬升。大約在180℃達到10大氣壓上下，一般認為這時外殼就撐不住了。
重點是，這條曲線不是「直線」。從100℃到140℃的40℃之間，只增加約2.5大氣壓。但從140℃到180℃的40℃之間，卻增加了6大氣壓以上。溫度越高，只要稍微加熱，壓力就會大幅上升。最初幾分鐘靜悄悄的，到了某個時刻卻一齊爆開，就是這個緣故。
一般的玉米為什麼不會爆開？
烤玉米或玉米濃湯裡的玉米，同樣含有水。缺少的是關住水蒸氣的「蓋子」。
請看圖2。左邊爆米花用的玉米粒（爆裂種），外殼厚，幾乎沒有縫隙。右邊一般玉米的外殼，一受熱，水蒸氣就會漏出去。水蒸氣一點一點跑掉，壓力就累積不起來。玉米粒只會烤焦或乾癟。
白白軟軟的真面目，是瞬間凝固的「泡泡」
玉米粒的內容物大部分是澱粉。受到熱水蒸氣作用，澱粉會變成柔軟、像漿糊一樣的狀態。這時外殼一破，10大氣壓的水蒸氣突然被釋放到1大氣壓的外面。
水蒸氣一下子膨脹，從內側把漿糊狀的澱粉像泡泡一樣撐開。體積據說會變成原來玉米粒的幾十倍。膨脹的泡泡被外面的空氣冷卻，水分也跑掉，馬上就變成酥脆的白色團塊。爆米花白色的部分，就是由澱粉形成的細小泡泡聚集而成。
2015年，法國的研究者用高速攝影機和錄音來研究爆米花。結果報告指出，「啵」的聲音似乎不是外殼裂開的瞬間發出的，而是裡面的水蒸氣噴出來時發出的。據說玉米粒會跳起來，是因為爆出來的澱粉像「腳」一樣蹬了鍋子。
爆米花用的玉米粒，水分在13～14％左右時，膨脹得最好。如果袋子開了就放著，讓它變乾，壓力不夠，沒爆開的粒就會變多。保存時，放進密封容器是訣竅。
總結
爆米花會爆開，是因為粒中的水變成水蒸氣，在堅硬的外殼裡無處可逃。被關住的水蒸氣壓力隨溫度急速上升，大約在180℃達到約10大氣壓，把外殼撐破。被釋放的水蒸氣讓變軟的澱粉膨脹，就這樣凝固，成了那白白軟軟的爆米花。
讓它爆開的不是熱，而是水。
因為有外殼這個「蓋子」，水才會變成爆炸的力量。
關住水會改變沸點，這個話題和為什麼在富士山上煮不好飯？剛好方向相反（山上壓力低，所以在低於100℃的溫度就會沸騰）。食物的內容物因為受熱而改變的話題，也請一併閱讀為什麼生雞蛋煮了會凝固？和麵包為什麼會膨脹？
把關住的水一口氣變成水蒸氣的力量，生物也會利用。放屁蟲為什麼能從屁股噴出熱氣體？介紹了這種昆蟲利用化學反應的熱讓液體沸騰、保護自己的機制。
- 準備兩組爆米花用的玉米粒，每組10粒。只在其中一組，用針在外殼上戳一個小洞。
- 把兩組分別用蓋上鍋蓋的平底鍋，以相同方式加熱，比較爆開的粒數。戳了洞的玉米粒，水蒸氣會漏出去，應該比較不容易爆開。
- 把沒爆開的粒剝開來看看。觀察外殼有沒有傷痕、裡面是不是太乾。
加熱時請不要打開鍋蓋，臉也不要靠近。爆開的玉米粒或油可能會飛濺出來。如果使用微波爐，請使用爆米花專用的容器或商品。
給想知道更多的人 ― 名詞、算式與課本的連結明確標示這是從國中自然科到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中自然科會學到的範圍
- 高中高中「物理」「化學」會學到的範圍
- 高中＋高中進階，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學、大學專業課程（熱力學、食品物理學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教、目前研究者正在探討的話題
國中名詞：這個現象是有名字的
- 爆裂種：爆米花用的玉米品種群。外殼（果皮）堅硬，加熱就會爆開。
- 蒸氣壓（飽和蒸氣壓）：在封閉容器中，水和水蒸氣達到平衡時水蒸氣的壓力。溫度越高，增加得越急。
- 糊化：澱粉因水和熱而散開，變得像漿糊一樣柔軟。煮飯時的變化也是一樣的。
國中高中用算式確認：180℃時，粒內是幾大氣壓？
從溫度估算被關住的水的水蒸氣所推出的力量（蒸氣壓）。以100℃時為1大氣壓作為出發點，計算180℃時的壓力。
| 用符號寫 | P2 ＝ P1 × e 的 (L ÷ R) × (1/T1 − 1/T2) 次方 |
| 用文字寫 | 高溫時的壓力 ＝ 100℃時的壓力 × e 的「(水變成水蒸氣所需的熱 ÷ 氣體常數) × (兩個絕對溫度倒數之差)」次方 |
| 算式的來源 | 由水和水蒸氣達到平衡（相平衡）的條件導出的克勞修斯－克拉佩龍方程式。變成水蒸氣所需的熱越大，壓力隨溫度的變化就越陡。 |
| 符號 L ÷ R（水變成水蒸氣所需的熱除以氣體常數的值） | 一般認為約 4900 K |
| 符號 T1・P1（一般的沸點和當時的壓力） | 373 K（100℃）時為 1 大氣壓 |
| 符號 T2（爆米花爆開的溫度） | 一般認為約 453 K（180℃） |
| 兩個溫度的差 | 453 − 373 ＝ 80 |
| 兩個溫度相乘 | 373 × 453 ＝ 168969 |
| 倒數之差（1/T1 − 1/T2） | 80 ÷ 168969 ≒ 0.000473 |
| 指數的內容 | 4900 × 0.000473 ≒ 2.32 |
| e 的 2.32 次方 | 約 10.2 |
| 180℃時粒內的壓力 | 1 × 10.2 ＝ 10.2 大氣壓 |
| 小客車輪胎的氣壓 | 約 2.5 大氣壓 |
| 是輪胎的幾倍 | 10.2 ÷ 2.5 ≒ 4.1 |
玉米粒內部的壓力，會達到汽車輪胎的約4倍才爆開。在實驗中，爆開前一刻粒內的壓力估計約為9大氣壓，和這個概算大致吻合。薄薄的外殼，直到爆開前一刻都撐得住這麼大的壓力。
高中高中＋沸點是由「周圍的壓力」決定的
高中水會在水蒸氣的壓力（蒸氣壓）等於周圍壓力的溫度下沸騰。外面是1大氣壓，就是100℃。反過來，外面壓力越高，沸點就越高。殼裡的水出不去，所以無法沸騰，溫度就一直升高。家用壓力鍋能在120℃左右煮東西，也是同樣的機制。
高中＋外殼破裂的瞬間，周圍的壓力從10大氣壓急速降到1大氣壓。對180℃的水來說，1大氣壓下的沸點100℃遠低於它的溫度，所以水會一口氣沸騰。這種急速沸騰，就是從內側把澱粉打成泡泡的力量。
大學相平衡，與澱粉泡泡凝固的機制
上面的算式，是從熱力學的相平衡條件（吉布斯能相等）導出的克勞修斯－克拉佩龍方程式。這裡把變成水蒸氣所需的熱視為固定，但實際上溫度越高這個熱會稍微變小，所以算出的值會比實測的蒸氣壓稍大一些。澱粉糊化之後，水分跑掉、冷卻時，會從柔軟的狀態轉變為堅硬如玻璃的狀態（玻璃轉移）。一般認為，爆米花的酥脆口感，就來自泡泡的膜轉變成這種狀態。
📖 算式的推導，以及更進階的內容：克勞修斯－克拉佩龍方程式（維基百科） ／ 澱粉與糊化（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 沒爆開的粒，為什麼會剩下來？ 有外殼上的小傷痕、水分不足、構成外殼的纖維排列方式不同等好幾種說法。哪一種影響多大，會因品種和保存狀態而不同，目前尚無定論。
- 聲音與跳躍方式的詳細機制。 2015年的高速攝影研究報告指出，聲音來自水蒸氣噴出，跳躍則是澱粉的「腳」造成的。但連每一粒之間的差異，都還無法完全說明。
- 最適合的水分為什麼是14％上下？ 太少時壓力不夠，這很容易理解；但太多時膨脹反而變差的原因，被認為與澱粉的柔軟度和外殼強度之間的平衡有關，目前還不清楚。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「就目前所知範圍內的說明」。就連身邊零食的一小粒，也還留有研究的空間。
與課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科：狀態變化（水變成水蒸氣時體積變大） | 粒中的水變成水蒸氣而膨脹的部分 |
| 高中 | 化學：蒸氣壓與沸點 | 圖1的曲線、沸點由周圍壓力決定 |
| 高中＋ | 化學：相圖與沸點上升的概念 | 外殼破裂瞬間的急速沸騰 |
| 大學 | 熱力學（相平衡）・食品物理學（澱粉的糊化與玻璃轉移） | 克勞修斯－克拉佩龍方程式、泡泡凝固的機制 |
| 研究 | 食品工程・流體力學 | 沒爆開的粒、聲音與跳躍方式的研究 |
| ― | 與生活的連結 | 壓力鍋、玉米粒的保存方法（密封、不要讓它變乾） |
- Virot, E. and Ponomarenko, A. (2015) Popcorn: critical temperature, jump and sound. Journal of the Royal Society Interface, 12.
- Hoseney, R. C., Zeleznak, K. and Abdelrahman, A. (1983) Mechanism of popcorn popping. Journal of Cereal Science, 1, 43-52.
- Ziegler, K. E. (2001) Popcorn. In: Hallauer, A. R. (ed.) Specialty Corns, 2nd ed., CRC Press.
- 國立天文台編《理科年表》丸善出版（國立天文台編『理科年表』丸善出版）（水的飽和蒸氣壓）
※本文是寫給一般讀者的科學解說。所列數值是為了理解機制的參考值與概算。加熱烹調請在大人的看護下進行，並遵照廚具與產品的說明書。