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一杯啤酒里有多少个泡泡?科学家真的算出来了

来源:环球科学
发布时间:2021-09-28
浏览次数:37

     又是一个开心的周末,你和朋友约了一起去撸串,点上两瓶啤酒,正往杯子里倒,啤酒却又像往常一样冒出大量气泡,溢了出来。这些“恼人”的气泡总会搞得桌面一团糟,但你是否想过一杯啤酒里,到底会有多少“恼人”的泡泡呢?

  在5000多年前的美索不达米亚,人们就已经开始喝啤酒了。现代啤酒主要由水、谷物、酵母和啤酒花发酵而成。发酵过程中,酵母菌会分解谷物中的淀粉,产生可口的糖、醉人的酒精以及二氧化碳——而这正是气泡的来源。啤酒在罐装时,还会被生产商注入额外的二氧化碳,以增加容器中的压力。这导致开瓶时,或是倒入杯中时,啤酒中总会涌出不少气泡。

  所以,当你小心翼翼地将啤酒倒入杯中时,到底会冒出多少泡泡?为了弄清楚这个问题,法国兰斯-香槟-阿登大学(University of Reims Champagne-Ardenne)的杰拉德·利格·贝莱尔(Gérard Liger-Belair)和克拉拉·西林德(Clara Cilindre)做了充分的理论分析,并用实验验证了他们的预测,他们还将结论发表在ACS Omega期刊上。他们的实验表明,一杯啤酒冒出的气泡总数,大约在20万~200万个之间。

  理论分析

  一杯啤酒中能产生的气泡总数受到三个因素的限制,啤酒中二氧化碳的总量,每个气泡中二氧化碳的含量,以及最后啤酒不再形成气泡时,啤酒中二氧化碳的浓度。

  二氧化碳溶于水,但二氧化碳溶解度的数据大多是在纯水中的数据,对于啤酒这种酒精含量5%左右的混合物,数据就很稀有了。好在2013年,已经有人研究过二氧化碳在啤酒中的溶解问题。不过有一点对于水和啤酒来说都是相通的:液体中能溶解多少二氧化碳,是和气压密切相关的。

  这被称为亨利定律(Henry‘s law),即气压越高,啤酒中能溶解的二氧化碳越多。一般而言,啤酒瓶并不会被完全装满,会在瓶口留下一点空间,正是这里的气压决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。但是由于啤酒瓶中气压较高,溶解度上升,瓶中啤酒的体积也远大于气体的体积,因此瓶中大部分二氧化碳都集中在啤酒中。

  对于0~5摄氏度的啤酒,内部气压一般为2个大气压。当你起开酒瓶时,瓶盖被“砰”的一声弹飞,气压也随之下降,瓶中的气压也都回到了一个大气压。而这时,啤酒内溶解的二氧化碳也就成了过饱和状态,二氧化碳就能溢出了。

  冒泡的诀窍

  但是显然,开瓶时“绅士”与否,会影响开瓶产生的气泡的多少。这是因为就算溶解的二氧化碳已经到达过饱和状态,但从液体中形成气泡,是会让整个体系能量上升的,所以气体难以自发从啤酒中冒出来。只有啤酒中有现成的气腔时,气体才能从啤酒中自发成核,形成泡泡。

  根据啤酒-二氧化碳界面的表面张力强度、大气压力、二氧化碳在啤酒中的溶解度和浓度,可以计算出激发气泡成核(Bubble Nucleation)的气腔的临界曲率半径。对于实验中使用的6摄氏度,酒精含量5%的啤酒来说,只要曲率半径大于0.7微米,或者说原始气腔的直径大于1.4微米,它就能从气腔成长为泡泡。

  就算你开瓶时不那么“狂野”,尽可能避免因摇晃而啤酒瓶中产生太多气腔,酒杯也不会放过你。虽然多数玻璃杯表面看上去非常光滑,但如果把它们放到显微镜下审视,就会发现上面布满在制造过程中留下的细微缺口。每个缺口都是一个不可消灭的气腔,让溶解在啤酒中的二氧化碳鱼贯而出。一般而言,玻璃杯底部不平整的地方更多,这也是大部分气泡都会从酒杯底部涌出的原因。

  二氧化碳不断析出,啤酒中的二氧化碳浓度也越来越低,这样所需要气腔的半径也越来越大。直到啤酒中再也没有足够大的气腔能让二氧化碳析出,气泡也就不会再析出了。算出临界点,就能得到啤酒不再冒泡时的二氧化碳浓度。

  一个泡泡

  气体的析出是一个动态过程。气泡在上升的过程中,不断有气体从啤酒进入气泡,气泡也在不断长大。上世纪90年代,就有科学家研究过气泡变大的过程。除了气压、温度、重力加速度等常系数外,气泡直径主要和气泡上升高度的三分之一次方成正比。也就是说,气泡刚产生时会迅速变大,然后维持在一个稳定的直径。不过,相较于变化不大的直径,气泡的体积倒是随着上升的过程线性增大——这也意味着,向杯中倒入不同体积的啤酒,杯中的气泡数量会有较大的差别。

  和上世纪90年代相比,现在的高速摄像机已经领先了很多。除了理论推导之外,贝莱尔他们也直接用高速摄像机拍出了照片。当气泡上升到啤酒表面时,气压基本上和大气压相等,这时就能估计每个气泡中,二氧化碳的含量了。不过,玻璃杯的形状,向杯中倒入啤酒的多少,都会影响每个气泡中二氧化碳的含量。

  现在,我们已经得到了初始和冒泡结束时啤酒中二氧化碳的浓度,还有每个气泡中所含有的二氧化碳。稍加计算,就能得到每杯啤酒中冒出的泡泡总数了。在贝莱尔的实验条件下,一杯啤酒中冒出的泡泡大约在20万~200万个之间。

  严谨的物理实验

  本着实事求是的态度,小编在昨晚和朋友去吃烤肉的时候,也点了一瓶啤酒。但是将啤酒打开时,却发现啤酒中的“气”早已“跑光”。将啤酒倒入杯中时,几乎没有多少气泡。这是因为,能影响一杯啤酒中气泡总数的因素实在是太多了。

  贝莱尔的研究总结出了很多能影响啤酒气泡数量的因素。啤酒的种类、酒精浓度、罐装时的气压,啤酒杯的形状、材质、制作工艺,向啤酒杯中倒入啤酒的多少,甚至大气压和重力加速度都能影响气泡的多少,作为严谨的物理实验,控制变量必不可少。

  他们选择了一个法国品牌的啤酒,酒精含量为5%。啤酒用玻璃瓶封装,每瓶含有250毫升啤酒。在实验开始之前,每瓶啤酒至少在6摄氏度的冰箱中冷藏48小时。杯子也不能马虎,他们选取了四个机械制造的500毫升玻璃杯,尽可能保证它们是相同的。首先用稀醋酸清洗玻璃杯,再用蒸馏水清洗,清洗过后在60摄氏度的干燥炉中干燥,干燥完成后,再将玻璃杯存放在6摄氏度的环境中。之后,他们还学着服务员的样子,轻柔地将将整瓶250毫升的啤酒倒入杯中,尽可能减少倒啤酒过程中的颠簸。

  只有在这样的条件下,一杯啤酒中冒出的泡泡总数才是20万到200万个。实验条件变化时,一杯啤酒中产生泡泡的数量会剧烈变化。200万和寥寥无几的对比对小编的冲击也的确不小。

  不过,这些都不重要,啤酒好喝就行了。

  参考论文:

  ACS Omega 2021, 6, 14, 9672–9679 https://doi.org/10.1021/acsomega.1c00256

  参考资料:

  https://www.livescience.com/how-many-bubbles-in-beer.html

知识点问答
1 / 3
对于0~5摄氏度的啤酒,内部气压一般为()个大气压。
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