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yan | 20th Aug 2009, 02:22 | Yan's 教室 | (2343 Reads)
看過隣家影大和紫大有關凝冰可樂的文章,覺得大家對這玩意的原理也有點興趣。於是,我們這次的 yan's 教室就談談凝冰可樂的原理吧!

談這個我是有點壓力的,事先聲明這是個人意見,知道我本來是唸什麼的朋友請裝作記不起好了。

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(凝冰可樂,圖片來自紫熊部屋)

 

好,廢話不說了。有關凝冰可樂的文章可以看影大紫大這兩篇。簡單而言,就是入錢、拿起樽裝汽水,打開蓋喝一口,關蓋然後等幾分鐘,瓶子裡會慢慢長起一塊塊冰塊,這些就是「凝冰」,好不好喝就見仁見智了。

網上有不少有關這原理的討論,我這篇其實主要是歸納了那些說法再提出自己的意見而已。


首先,有朋友認為這是「二氧化碳在高壓中液化了,而在打開的過程中液化的二氧化碳變成氣體逃走了,這個由液體變成氣體的過程是一個吸熱作用,所以使可樂的溫度降低,結果使它結冰」。

提出這解釋的朋友大概唸到中三物理,還記得潛熱的概念而且能用來解釋事物。的確,液體變成氣體需要很多能量,是能把可樂凍結成冰的。

可是,這個說法是不合理的,在那樽汽水裡不太可能存有液態二氧化碳。下圖是二氧化碳的相圖(phase diagram),在正常壓力下,二氧化碳是永遠不可能變成液態的,它會直接從固態(乾冰)昇華到氣態。最少要把壓力加到正常大氣壓力的五倍才有可能出現液態二氧化碳(於負五十多度),而一般汽水的塑料蓋子在這氣壓下是會漏氣的。所以,以液態二氧化碳解釋這現像是不合理的。

Picture

(二氧化碳的三相圖)


其次,有朋友以溶在汽水中的二氧化碳在打開蓋子時膨脹起來而對外作了功來解釋這現象。簡單來說,是像冷氣壓縮機的原理。

這是預科程度的解釋,是根據通用氣體定律(PV/nRT=constant)或熱力學第一定律來考慮的。理論上來說的確是有可能,可是,打開蓋子時真的有那麼多氣體跑出來嗎? 要讓瓶裡的汽水結冰的能量至少應該會把瓶蓋彈射開去,但實際並沒有這麼多氣體跑出來。所以,以「氣體作功」來解釋也是行不通的,因為氣體作的功少得可以忽略。


也有朋友以「過冷液體」作解釋,我認為這個解釋挺合理的。但過冷液體這個詞的範圍太大,我們有必要再談一下。

所謂「過冷」,就是在應該結冰的情況下卻不結冰的液體。以水為例子,因為水結冰需要有一些核心,例如微小的冰晶、水中的雜質或是器皿的牆壁,如果沒有這些東西,水就能長時間保持在冰點以下而不結冰。如果這時突然有凝結核闖入,水就會突然結冰。

這很像「凝冰可樂」的原理吧? 對不起,這也是不可能的。過冷液體是一種非常不穩定的東西,只要輕輕一搖就能把過冷狀態打破。雖然我沒有親身試過,但凝冰可樂如果真是過冷液體的話,那根本就不需要先把蓋打開去喝一口,而接拿起瓶子搖一下就可以了。而且,把這種不穩定的東西放在自動售賣機裡,可樂公司冒著風險就有點太高了...(某人一搖那台機,裡面的汽水就全都變成冰了)


我認為這種凝冰可樂的原理是接近過冷水,利用瓶裡的壓力降低了汽水的冰點(壓力越大冰點就越低,見下圖),再利用一台能準確控制溫度的自動售賣機。其中,能準確控制溫度這點比汽水本身更重要,因為隨壓力而降低的冰點可能只有一兩度。

Picture

(純水的三相圖)

簡單來說,我的想法是這樣的:氣壓使汽水的冰點降低一點(例如從0度降到-2 度),汽水機準確把每一瓶汽水都控制在常壓和(相對)高壓汽水的冰點之間(例如 -1.5度)。在你投幣,拿到汽水那一刻,你喝下那口是-1.5度的汽水。因為你喝了一口,也因為你打開蓋子了,瓶子裡的氣壓回到正常狀態,汽水的冰點也回到0度。此時,-1.5度的汽水已經有足夠資格去結冰,所以你就看到冰在慢慢生長了......

哈,或許這篇是我這邊談得最多物理的一篇。希望不要嚇著大家,也希望我不會說錯吧......

延伸閱讀:

暗黑熱血 - 真夏之凍飲 ─ 人氣冰水猛體驗!
紫熊部屋 - 當熊咖啡遇上法式西餅


[1]

有人偷相!罰款五千,唔係報警!哈!

你應該加番溫馨提示。我坦白說好了. 看到中段差不多睡著了. 後來看到最後第二段先稍稍明白. 即使話
1. 壓力越大冰點就越低
2. 汽水機加壓, 咁冰點就降低, 所以結唔到冰
3. 打開個蓋, 飲0左一口, 咁氣壓成為正常. 冰點也回到正常
4. 咁就結冰?

係咪咁呢, 仁博?

紫熊
[引用] | 作者 紫熊 | 20th Aug 2009 09:46 | [舉報垃圾留言]


正解! 都說子大人冰雪聰明,善待員工...

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Aug 2009 15:46

[2]

學術文章的確很難寫呢 =P

我也是只看懂了「簡單來說」那一段,複雜的我不懂嘛 XD

himawari
[引用] | 作者 himawari | 20th Aug 2009 15:38 | [舉報垃圾留言]


哈,看那一段就可以了...其他的是用來否定其他說法而已...

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Aug 2009 16:08

[3]

解釋得很詳細,不過好複雜呀...
d物理全已俾番中學老師了~~

Nic
[引用] | 作者 Nic | 20th Aug 2009 16:21 | [舉報垃圾留言]


哎也...我仲以為已經講得好淺呢!

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Aug 2009 23:41

[4]

咁琴開心大發現2009都有解釋過架,嘻嘻,好得意~


[引用] | 作者 | 20th Aug 2009 17:24 | [舉報垃圾留言]


哈, 原來電視講過? 咁我講的有冇錯呢?

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Aug 2009 23:38

[5]

這篇有趣,好文:)


[引用] | 作者 嚴明 | 20th Aug 2009 18:01 | [舉報垃圾留言]


哈, 我只是百鳥歸巢,把網上的意見收集起來而已。

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Aug 2009 23:39

[6]

我和同事們對凝冰可樂的原理很好奇,之前看到有人用你文中第三個原因去解釋,甚至有段片示範如何在家中製造類似的冰水,但始終以凝冰可樂來說,條件還是很不足,因為可樂始終不是純水,而容器又不平滑,很難做到過冷液體的狀態。

所以宏觀那麼多個解釋,似乎你的解釋是最合情合理呢~~~

少玄
[引用] | 作者 少玄 | 20th Aug 2009 20:33 | [舉報垃圾留言]


當然,過冷水是可能的解釋,但因為太不穩定,所以不太可能用來解釋凝冰可樂的原理呢!

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Aug 2009 23:42

[7]

我有少少意見,
可樂不等於水,所以水的 phrase diagram 理論上係唔適合可樂的。
題外話,可樂可視為不純正的水,所以冰點應該係低過攝氏零度;但可樂中的冰,可以視為只含有水及可樂成份的冰。
入正題,參考水的 phrase diagram,一個大氣壓力下,水的冰點係攝氏零度,但氣壓提高,冰點會下降,換句話,只要增加壓力,即使零度,水仍未完全結冰。
所以,只要將可樂再加壓封蓋,低於零度的可樂仍未結冰的走出汽水機,只要溫度不是提升得太快之下,一開啟樽蓋,氣壓會立即下降到一個大氣壓力,可樂便會馬上結冰...


[引用] | 作者 米Sir | 21st Aug 2009 22:55 | [舉報垃圾留言]


哈, 難得你認真來看呢!

是的,水的phase diagram 不代表可樂。可是,重要的不是那個phase diagram,而是「冰點會隨壓力下降」這原理。

就像我在末二段說的,汽水首先在高壓中處於一種冰點以上的狀態,當打開蓋子,氣壓下降後汽水就變成處於冰點以下(溫度不大變,但冰點變了)。因此,在常壓下的汽水就會結冰了...

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Aug 2009 23:48

[8]

你賣口乖都冇用, 罰款係要照俾的.

紫熊
[引用] | 作者 紫熊 | 22nd Aug 2009 02:03 | [舉報垃圾留言]


俾返兩塊熊仔餅你囉...

[引用版主回覆] | 作者 yan | 24th Aug 2009 09:56

[9] Re: 紫熊
紫熊 :

你賣口乖都冇用, 罰款係要照俾的.



係啦,睇住佢偷~~


[引用] | 作者 米Sir | 22nd Aug 2009 12:00 | [舉報垃圾留言]


這...這是竊圖! 寫blog 人的事怎能說偷呢! (XD 這是老掉牙的梗了...)

[引用版主回覆] | 作者 yan | 24th Aug 2009 09:57

[10]

I think you need a control. If you get a bottle of water from the same vending machine and if you get the same effect after taking a sip of the water, then your theory is probably valid.


[引用] | 作者 tin tin | 26th Aug 2009 09:43 | [舉報垃圾留言]


可惜我不是收錢做這方面的研究,而且我不是汽水公司的人不可能做這實驗呢!

再有人「單純」以過冷液體作解釋的話,有錢人可以試做這個實驗去反證:在機中買完汽水後在不開蓋(壓力不下降)的情況下搖動汽水,看看會否結冰。如果是單純的過冷態的話,應該是會結冰的...

[引用版主回覆] | 作者 yan | 26th Aug 2009 17:06

[11] Re: yan

不好意思,我不懂是否在這裡留言,希望沒有錯。

基本上,我同意樓主的見解。當聽到其他人一想起這樽凝冰可樂,大家都不約而同地以supercooling來解釋,但我卻感到不舒服。因為正如樓主所說,supercooled liquid是一個極不穩定的狀態,只要有些微的perturbation,就會立即變成ice了。所以,當買汽水時,一跌落嚟戈一下,就應該立即變冰,而且,我覺得一變就應該整支可樂變冰。但我買那樽可樂時,卻觀察到:一. 當打開了樽,飲一飲時才開始結冰。二.變冰的不是整支可樂,卻只是表面的那一層。而第一點是最重要推倒supercooling的證據。有一說飲可樂時,口水中的impurities給可樂做nuclei for freezing,但我始終覺得可樂不是homogenous到無nucli for freezing,而買汽水時跌出來的那一下,一定有汽泡,又有perturbation,所以如果是supercooling的話就應該已經結冰了。

唔知我的感覺有無錯呢?

還有,謝謝你的解釋。使我在眾人之中,知道自己的迷惑是沒有錯的。


[引用] | 作者 | 6th Sep 2009 11:04 | [舉報垃圾留言]


哈,你是對的~ 就是這樣留言的呢!

因為電視報道過supercool/superheat 的現象,所以大家一看到這個就覺得是這種...我想我也不會有什麼大錯呢~

[引用版主回覆] | 作者 yan | 6th Sep 2009 21:10

[12]

老師在堂上就這麼問過我地,我想問下,系唔系把汽水加壓然後用蓋子封住呢?如果是這樣,那個我打開蓋子的時候,壓力要釋放的時候會不會把蓋子彈出來呢?


[引用] | 作者 無知小子一名 | 18th Oct 2009 23:11 | [舉報垃圾留言]


是的,基本原理是這樣。當然,蓋子不會在扭開汽水時彈出來,因為設計上已經考慮了這情況,你未把蓋子全打開,只是輕輕一扭裡面的氣壓就降得和正常氣壓差不多了...

[引用版主回覆] | 作者 yan | 20th Oct 2009 11:53

[13]

我想針對下個‘壓力越大,冰點越低’的定理,我記得一個gas law 的general form,
p乘以V/T=constant,可唔可以用在這個定理上?隨著p(壓力)上升,v不變,保持constant,T就會隨之下降。這樣解釋對嗎?我是初學者^^,不對的話,怎麼解釋?


[引用] | 作者 無知小子一名 | 20th Oct 2009 22:14 | [舉報垃圾留言]


這個跟 general gas law 沒什麼關係。這個解釋用在那條公式是沒錯的,要小心的是PV/T=constant 的話,如果P 上升V 不變,T 是應該會上升的。

那是gas law,公式背後隱含了一堆只適合於氣體的假設(例如份子間的吸引/排斥力很小、完全彈性碰撞等),所以是不適合用在液體裡的。

壓力越大,冰點越低這個涉及free energy。簡單來說,就是你想往外逃但又被束縛著,如果這時外邊再有壓力阻止你往外逃的話你就需要更高的力量才能逃走,結果是冰點知得更低。

溜冰鞋用的就是這個道理,把你的體重壓在冰上,便那一小部份的冰點降低,結果冰鞋下邊一小片冰就變成水,你也就能在上邊滑行了...

[引用版主回覆] | 作者 yan | 21st Oct 2009 00:12

[14]

剛剛看到最尾有一點疑問,因為你說

『壓力越大,冰點越低這個涉及free energy。簡單來說,就是你想往外逃但又被束縛著,如果這時外邊再有壓力阻止你往外逃的話你就需要更高的力量才能逃走,結果是冰點知得更低。』

最後的結論是有點奇怪的?
因為分子往外逃時需要更高的能量,所以冰點是應該升高的。不過你整篇的解釋非常清楚呀~!!剛開始我就覺得過冷凍的原因是錯的呢(正如下面有人所講的),但我自己只能想到溶解在可樂中的高壓二氧化碳對外作功所以變冰的原因....

但看到你的解釋才發覺是這麼奧妙的原因@@


[引用] | 作者 hon1996 | 23rd Nov 2009 10:35 | [舉報垃圾留言]

[15]

另一個問題是,造成可樂結冰的原因如果是冰點發生變化,那麼和過冷凍液體的現象不就應該相同了嗎?(因為冰點比外界溫度高)那麼應是全支立即就結冰了?
但是我看到的現象是先在表面先結一層冰,然後就不再結冰了,然後工作人員說要把可樂倒轉才可以全支結冰,倒轉後,過了數秒後就真的全支結冰了,你的那個理論要如何解釋這個現象?

如果說高壓co2氣化做功可以降溫,那麼表面上結冰的那一層可以阻擋氣體跑出,所以結冰就停止了,這時把冰層移開,又再很快結冰了,這樣解釋不合理嗎?


[引用] | 作者 hon1996 | 23rd Nov 2009 10:46 | [舉報垃圾留言]

[16] Re: hon1996

謝謝,你看得很認真呢!

首先,分子往外逃時需要更高的能量,所以冰點應該是降低的。可能因為我這句時說得太簡單,所以令你誤會了。「往外逃」比喻的是液體變成氣體的情況,壓力越大則沸點越高。而由液體變成固體則是另一回事。外間的壓力會迫使分子緊緊靠著,這使得原本用來抵消分子間斥力的能量減低了,也就令物體更容易變成固體,這就是冰點降低的原因。

從現象上看,這根過冷液體沒有兩樣。原理上兩者也極為相近,只是以我的理解看來這個過冷狀態是極短暫(由打開瓶蓋到結冰)而已。汽水先在表面結冰這個也很好解釋,因為汽水結冰會膨脹,而膨脹後的冰給予瓶裡的汽水壓力使冰點再度降低。把汽水倒轉的作用是破壞表層的冰,使由固體冰做成的壓力降低。

為什麼我一直否決氣化做功的說法呢?這是因為氣化的物質(二氣化碳)跟固化的物質(汽水,嚴格來說是糖水吧?)的質量相差太遠。無論考慮氣壓做功(其實做不了,因為瓶蓋是關閉的,體積固定後就不能算是work done)或是潛熱釋放也不合理,所以我才在一開始就否決這個說法呢!


yan
[引用] | 作者 yan | 23rd Nov 2009 12:40 | [舉報垃圾留言]