碳酸饮料禁止0℃以下冷冻

2013年05月13日11:44  新浪健康论坛  

  据央视新闻报道,25日晚9点多,上海嘉定一男孩从冰箱拿出一听百事可乐,在开启瞬间发生爆炸。因气体喷发力度关系,瓶口的盖子直接划到孩子脸上,伤口很深直接穿透脸腮。万幸没划到眼睛。最后在第九人民医院外缝31针内缝7针。忠告:不要把听装可乐放冰箱冷冻!

  那么冰冻的可乐为什么会爆炸呢?

  1.可乐体积的变化

  水在4摄氏度以下是温度越低体积越大的,但是根据这个-30 - 100摄氏度下水的密度表(低于零度的是过冷水的密度),可以看出变化非常不明显。据此可以推测可乐这种水溶液应该是类似的情况。

  可乐体积发生剧烈变化是在结冰的过程中。由于冰的密度是0.917g/cm³(0摄氏度1个大气压下),水是1g/cm³,所以结冰后体积膨胀约9%。可乐虽然不是纯水,但与这个数字相差不会太大。

  纯水在标准大气压下的结冰点是0摄氏度。当水中溶解了各种溶质时,结冰点就会降低。可乐的结冰点,按照可口可乐官方的说法是大约30华氏度(大约 -1.1摄氏度)。这是开罐之后的可乐,密封的罐装可乐由于内部气压高,结冰点还会降低。不过根据下面的水的三相图可以看出,由于压强变化而导致的结冰点降低并不明显。所以温度下降到一定程度(一般冰箱冷冻室均可达到)时,可乐就会结冰。

  结冰之后继续降温,冰的体积也不会再膨胀了。事实上冰是温度越低体积越小的,-180摄氏度时是0.9340 g/cm³。可以看出这个变化同样非常小,可以忽略。

  2.二氧化碳气体的变化

  可乐中溶解有二氧化碳气体。因此未开封的罐装可乐,内部压强要高于大气压。

  关于饮料罐内部的压强,并没有精确的标准值。这个网页上收集了多组数据,都来自研究文献或论著中的实际测定。其中有数据显示:罐装可乐内部压强在4摄氏度时为117千帕,21摄氏度左右时为248千帕。另有数据称在24摄氏度时测出380千帕。与之相比,大气压是101千帕。也就是说冷藏的可乐压强略高于大气压,常温下大约是大气压的2-4倍(略不到4倍)。这与生活经验相符。

  这个现象也很好解释。二氧化碳在水中的溶解度是温度越低溶解度越高。降温会促进二氧化碳溶解,降低罐内气压。

  但是在可乐开始结冰后,就会有大量二氧化碳释放出来。因为气体不会溶解在冰块中。

  这些释放出的二氧化碳极大增加了罐内的压力。根据波意耳定律,气体的压强与体积成反比(同样质量和温度下)。上面的网页提到罐装可乐(典型为355mL)中一般溶解有3-3.7倍体积左右的二氧化碳,也就是说这些二氧化碳在标准大气压下的体积在1L左右。根据另一个网页的实测数据也得出了近似的值。当它们在密闭的罐子中被释放出来,由于罐子内大部分体积已经被冰块占满(甚至罐子都已变形),此时气体的体积被压得很小,压强自然就会很大。具体有多大,则和罐子的形变、可乐结冰情况等复杂因素有关,无法估算。随口假设,这些气体被压缩为标准大气压下的5%(也就是1L气体被压成了50mL,考虑到罐子变形后的体积和内部结冰的情况,50mL应该是一个合理的估计),那么它们此时的压强就是20个标准大气压。

  根据可口可乐官网,可乐罐被设计为可以承受100PSI(689.5千帕,接近7个大气压)的压强。前面提到,正常情况下保存的可乐,内部通常只有两三个大气压的压强,因此这个设计强度正常使用已经足够。但在我们估计的冷冻极端情况下,显然非常容易发生爆裂。这也就是可乐罐上会标注“禁止加热或0摄氏度以下冷冻”的原因所在。

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