一杯啤酒里有多少个泡泡?科学家真的算出来了

作者: 王昱

来源: 环球科学

发布日期: 2021-05-28

科学家通过理论分析和实验验证,得出了一杯啤酒中气泡的数量大约在20万到200万个之间。这一结论考虑了啤酒中二氧化碳的总量、每个气泡中二氧化碳的含量以及啤酒不再形成气泡时二氧化碳的浓度。实验还揭示了影响气泡数量的多种因素,包括啤酒的种类、酒精浓度、罐装时的气压、啤酒杯的形状和材质等。

一杯啤酒里有多少个泡泡?科学家真的算出来了。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。

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。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。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。

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。

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