圖片來源:Pixabay
又是一個開心的周末,你和朋友約了一起去擼串,點上兩瓶啤酒,正往杯子里倒,啤酒卻又像往常一樣冒出大量氣泡,溢了出來。這些“惱人”的氣泡總會搞得桌面一團(tuán)糟,但你是否想過一杯啤酒里,到底會有多少“惱人”的泡泡呢?
在5000多年前的美索不達(dá)米亞,人們就已經(jīng)開始喝啤酒了?,F(xiàn)代啤酒主要由水、谷物、酵母和啤酒花發(fā)酵而成。發(fā)酵過程中,酵母菌會分解谷物中的淀粉,產(chǎn)生可口的糖、醉人的酒精以及二氧化碳——而這正是氣泡的來源。啤酒在罐裝時,還會被生產(chǎn)商注入額外的二氧化碳,以增加容器中的壓力。這導(dǎo)致開瓶時,或是倒入杯中時,啤酒中總會涌出不少氣泡。
所以,當(dāng)你小心翼翼地將啤酒倒入杯中時,到底會冒出多少泡泡?為了弄清楚這個問題,法國蘭斯-香檳-阿登大學(xué)(University of Reims Champagne-Ardenne)的杰拉德·利格·貝萊爾(Gérard Liger-Belair)和克拉拉·西林德(Clara Cilindre)做了充分的理論分析,并用實驗驗證了他們的預(yù)測,他們還將結(jié)論發(fā)表在ACS Omega期刊上。他們的實驗表明,一杯啤酒冒出的氣泡總數(shù),大約在20萬~200萬個之間。
Part.1
理論分析
一杯啤酒中能產(chǎn)生的氣泡總數(shù)受到三個因素的限制,啤酒中二氧化碳的總量,每個氣泡中二氧化碳的含量,以及最后啤酒不再形成氣泡時,啤酒中二氧化碳的濃度。
二氧化碳溶于水,但二氧化碳溶解度的數(shù)據(jù)大多是在純水中的數(shù)據(jù),對于啤酒這種酒精含量5%左右的混合物,數(shù)據(jù)就很稀有了。好在2013年,已經(jīng)有人研究過二氧化碳在啤酒中的溶解問題。不過有一點對于水和啤酒來說都是相通的:液體中能溶解多少二氧化碳,是和氣壓密切相關(guān)的。
這被稱為亨利定律(Henry's law),即氣壓越高,啤酒中能溶解的二氧化碳越多。一般而言,啤酒瓶并不會被完全裝滿,會在瓶口留下一點空間,正是這里的氣壓決定了啤酒中能溶解多少二氧化碳。一般而言,二氧化碳的溶解度并不是很高。但是由于啤酒瓶中氣壓較高,溶解度上升,瓶中啤酒的體積也遠(yuǎn)大于氣體的體積,因此瓶中大部分二氧化碳都集中在啤酒中。
一般啤酒瓶中總會留下一點空間,正是這里的氣壓決定了啤酒中溶解的二氧化碳數(shù)量(圖片來源:pixabay)
對于0~5攝氏度的啤酒,內(nèi)部氣壓一般為2個大氣壓。當(dāng)你起開酒瓶時,瓶蓋被“砰”的一聲彈飛,氣壓也隨之下降,瓶中的氣壓也都回到了一個大氣壓。而這時,啤酒內(nèi)溶解的二氧化碳也就成了過飽和狀態(tài),二氧化碳就能溢出了。
Part.2
冒泡的訣竅
但是顯然,開瓶時“紳士”與否,會影響開瓶產(chǎn)生的氣泡的多少。這是因為就算溶解的二氧化碳已經(jīng)到達(dá)過飽和狀態(tài),但從液體中形成氣泡,是會讓整個體系能量上升的,所以氣體難以自發(fā)從啤酒中冒出來。只有啤酒中有現(xiàn)成的氣腔時,氣體才能從啤酒中自發(fā)成核,形成泡泡。
根據(jù)啤酒-二氧化碳界面的表面張力強度、大氣壓力、二氧化碳在啤酒中的溶解度和濃度,可以計算出激發(fā)氣泡成核(Bubble Nucleation)的氣腔的臨界曲率半徑。對于實驗中使用的6攝氏度,酒精含量5%的啤酒來說,只要曲率半徑大于0.7微米,或者說原始?xì)馇坏闹睆酱笥?.4微米,它就能從氣腔成長為泡泡。
就算你開瓶時不那么“狂野”,盡可能避免因搖晃而啤酒瓶中產(chǎn)生太多氣腔,酒杯也不會放過你。雖然多數(shù)玻璃杯表面看上去非常光滑,但如果把它們放到顯微鏡下審視,就會發(fā)現(xiàn)上面布滿在制造過程中留下的細(xì)微缺口。每個缺口都是一個不可消滅的氣腔,讓溶解在啤酒中的二氧化碳魚貫而出。一般而言,玻璃杯底部不平整的地方更多,這也是大部分氣泡都會從酒杯底部涌出的原因。
玻璃杯的顯微照片,(a)(b)兩圖中黑線分別代表100微米和20微米 圖片來源:ACS Omega2021, 6, 14, 9672–9679
二氧化碳不斷析出,啤酒中的二氧化碳濃度也越來越低,這樣所需要氣腔的半徑也越來越大。直到啤酒中再也沒有足夠大的氣腔能讓二氧化碳析出,氣泡也就不會再析出了。算出臨界點,就能得到啤酒不再冒泡時的二氧化碳濃度。
Part.3
一個泡泡
氣體的析出是一個動態(tài)過程。氣泡在上升的過程中,不斷有氣體從啤酒進(jìn)入氣泡,氣泡也在不斷長大。上世紀(jì)90年代,就有科學(xué)家研究過氣泡變大的過程。除了氣壓、溫度、重力加速度等常系數(shù)外,氣泡直徑主要和氣泡上升高度的三分之一次方成正比。也就是說,氣泡剛產(chǎn)生時會迅速變大,然后維持在一個穩(wěn)定的直徑。不過,相較于變化不大的直徑,氣泡的體積倒是隨著上升的過程線性增大——這也意味著,向杯中倒入不同體積的啤酒,杯中的氣泡數(shù)量會有較大的差別。
和上世紀(jì)90年代相比,現(xiàn)在的高速攝像機已經(jīng)領(lǐng)先了很多。除了理論推導(dǎo)之外,貝萊爾他們也直接用高速攝像機拍出了照片。當(dāng)氣泡上升到啤酒表面時,氣壓基本上和大氣壓相等,這時就能估計每個氣泡中,二氧化碳的含量了。不過,玻璃杯的形狀,向杯中倒入啤酒的多少,都會影響每個氣泡中二氧化碳的含量。
一個泡泡在上升過程中的大小變化的示意圖,(a)(b)兩圖分別為啤酒和香檳中的氣泡,黑線代表1毫米 圖片來源:ACS Omega 2021, 6, 14, 9672–9679
現(xiàn)在,我們已經(jīng)得到了初始和冒泡結(jié)束時啤酒中二氧化碳的濃度,還有每個氣泡中所含有的二氧化碳。稍加計算,就能得到每杯啤酒中冒出的泡泡總數(shù)了。在貝萊爾的實驗條件下,一杯啤酒中冒出的泡泡大約在20萬~200萬個之間。
Part.4
嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺嶒?/strong>
本著實事求是的態(tài)度,小編在昨晚和朋友去吃烤肉的時候,也點了一瓶啤酒。但是將啤酒打開時,卻發(fā)現(xiàn)啤酒中的“氣”早已“跑光”。將啤酒倒入杯中時,幾乎沒有多少氣泡。這是因為,能影響一杯啤酒中氣泡總數(shù)的因素實在是太多了。
貝萊爾的研究總結(jié)出了很多能影響啤酒氣泡數(shù)量的因素。啤酒的種類、酒精濃度、罐裝時的氣壓,啤酒杯的形狀、材質(zhì)、制作工藝,向啤酒杯中倒入啤酒的多少,甚至大氣壓和重力加速度都能影響氣泡的多少,作為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺嶒?,控制變量必不可少?/p>
他們選擇了一個法國品牌的啤酒,酒精含量為5%。啤酒用玻璃瓶封裝,每瓶含有250毫升啤酒。在實驗開始之前,每瓶啤酒至少在6攝氏度的冰箱中冷藏48小時。杯子也不能馬虎,他們選取了四個機械制造的500毫升玻璃杯,盡可能保證它們是相同的。首先用稀醋酸清洗玻璃杯,再用蒸餾水清洗,清洗過后在60攝氏度的干燥爐中干燥,干燥完成后,再將玻璃杯存放在6攝氏度的環(huán)境中。之后,他們還學(xué)著服務(wù)員的樣子,輕柔地將將整瓶250毫升的啤酒倒入杯中,盡可能減少倒啤酒過程中的顛簸。
只有在這樣的條件下,一杯啤酒中冒出的泡泡總數(shù)才是20萬到200萬個。實驗條件變化時,一杯啤酒中產(chǎn)生泡泡的數(shù)量會劇烈變化。200萬和寥寥無幾的對比對小編的沖擊也的確不小。
不過,這些都不重要,啤酒好喝就行了。
參考論文:
ACS Omega 2021, 6, 14, 9672–9679 https://doi.org/10.1021/acsomega.1c00256
參考鏈接:
https://www.livescience.com/how-many-bubbles-in-beer.html
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