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今年の夏はあまり暑くなかったようですが、炭酸飲料は比較的よく飲みました。
その時に冷蔵庫で冷やすわけですが、通常の水道水と較べて冷えにくい事に気がつき
ました。
それで思い切って冷凍庫で冷やしてみました。2時間ほどですが。
そのくらいの時間ではやはり凍るまでにはいたりません。

しかし、フタを開けると瞬間的とはいわないまでも上のほうからだんだんとシャーベット
状に凍っていくのです。
また、一度冷凍庫から出す時、手を滑らせて床に落としてしまったら、全体がやはり
シャーベット状に瞬間的に凍りました。

この現象は、
○炭酸飲料には炭酸ガスの圧力がかかっているので融点が0℃より低い。
 それを、フタを開けて圧力を開放すると、通常の水と同じ0℃で凍るので、凍り始める。
もしくは
○炭酸飲料が過冷却状態になっていて凍るべきところで凍らずにいるが、なんらかの衝撃、
 フタを開ける、落とすなどで急激に凍り始める
と考えたのですか、正しいでしょうか?

また、通常の水道水と較べて、炭酸飲料が冷え難いのはなぜでしょうか?

因みに、実際に試してみたのは某社のコーラのPETボトルの500ミリリットル入りです。

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A 回答 (4件)

過冷却です。


炭酸飲料にはたくさんの溶質が溶けていますので
凝固点が降下します。(凍結防止剤、融雪剤などと同じ)
また常温と比較して、冷却すると炭酸ガスは水中から遊離しにくくなります。よってフタを開けた場合、外気に触れた炭酸ガスが遊離したためそれが刺激となり(さらに液体自体も)シャーベットとなったのでは。
 一つ実験してみて下さい。
 冷蔵庫に保管した(10℃)開封していない炭酸飲料をガンガン振って冷凍庫等で急冷する。次に液体であることを確認して静かにフタを開けるとシャーベットが吹き出す。ガスはすぐには溶けないため時間の調整が重要かもしれません(未確認です)
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました。

お礼日時:2006/09/09 21:00

凍る理由ですが、過冷却状態というだけだと思います。


フタを開けると泡が出来ます。そこから凍り始めると思いました。(蓋開けなければ炭酸の泡は出来ないですよね?)
衝撃も凍る理由になります。

ペットボトルに一度沸騰させた水を入れて、発泡スチロールなどでくるんでから冷凍庫に入れても同じような現象が起こると本で読んだことがあります。

>通常の水道水と較べて、炭酸飲料が冷え難いのはなぜでしょうか?
実際にそれが本当であれば、比熱が大きいのではないでしょうか?小学校のころ習いませんでしたか? 比熱とかの事を。 水の中に鉄球を入れたら早く温まるとか・・・・
あとは、舌の感覚なら同じ温度でも感じ方が違うと言う事もあるかも知れません。(つまりただの勘違い)
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました。

お礼日時:2006/09/09 20:59

これは単純に、「過冷却現象」ではないでしょうか。


http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%81%8E%E5%86%B7% …

・・・であれば、「気化熱」云々は関係ないと思うのですが、どうなんでしょう?。

ペットボトル自体、熱伝導率は低いです。
そこらへんの差が影響していませんか?。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました。

お礼日時:2006/09/09 20:57

>冷えた状態でフタを開けると凍り始めるのはなぜ…



液体が気体に変わることを気化と言いますが、このとき周囲の熱を奪います。
これを「気化熱」と言います。
普通の水はもちろん、ジュースやお酒には、融けこんでいる気体の量も微々たるものなので、開栓したからといって気化熱が発生するわけではありません。
しかし、炭酸飲料は多くのガスを融かし込んでいるので、一気に気化することによって大きな気化熱を奪い、液体自体も、より冷えて凍るのです。

クーラーや冷蔵庫が冷えるのも、圧縮されて液体になったガスを一気に気化させて、周囲の熱を奪っているからなのです。

>通常の水道水と較べて、炭酸飲料が冷え難いのはなぜでしょうか…

水は不純物を含むと、それだけ凍りにくくなります。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました。

お礼日時:2006/09/09 20:55

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Aベストアンサー

やってみればわかる。やったことなくて理論もない(^^)
基本的に温度が低いほうが機体はよく解けますが・・【それは液体の話】
ここ間違えて理論もないでしょう。
水が凍るときには水だけが凍りますので溶存している気体は逃げ出す。
 ・・・冷蔵庫の氷、周囲は透明だけど中芯部は気泡だらけ。
ということは、氷ができ始めると押し出された二酸化炭素が気体として出てくる。
でてきた二酸化炭素の圧力にPETが耐えられるかというと、炭酸用PETボトルの耐圧は6気圧です。二酸化炭素は0℃だと数十気圧まで加圧されると液化しますが、0℃布巾では気体にとどまる。
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※ギリギリ爆発しないので、時間を色々替えて試してご覧なさい。
 事前に傷がないか良く確認すること

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まず、水、麦茶、濃い緑茶が凍る温度を温度計を用いて測定してみてください。
一般に塩水などでは、凝固点降下が起こり0℃では凍らず、より低い温度にしなければ凍りません。
この事例を参考にすると、麦茶が早く凍ることは、逆ではないかと疑問を持たれたのですよね。
とても良いことだと思います。
今回の実験では、どのように温度を下げて凍らしたのですか?
冷凍庫など、十分熱容量が大きく、十分低温(例えば-20℃)のような所に同時に水や麦茶を入れて凍るところを観察したのですか?
この場合、凍る早さは凝固点だけでは決まりません。
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結晶が小さいので、溶けるときは早く溶けるということではありませんか?
純水の場合、結晶の核となるものがないので、過冷却現象も起こっているかもしれません・・・
キーワードは、結晶核だと思います。

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とても良いことだと思います。
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Aベストアンサー

十分に低い温度でも凍らない現象(過冷却)もありますから、難しいでしょうね……。

とりあえず、冷凍庫の中は見えませんから、氷と食塩で寒剤をつくり寒剤の温度管理をすることで条件をある程度整えて実験を行えば、冷凍庫の外で実験ができると思います。

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Aベストアンサー

過冷却がなぜ起こるのか?と問われれば、その答えは「融点以下の液相は固相として存在するのが熱力学的に最も安定だが、実際に凝固するためには「核発生」というきっかけが必要だから」という答えになります。

過冷却現象はエネルギー的な安定の観点からだけでは説明できません。動的な成長理論(核発生理論)を考えて初めて説明されます。
エネルギー収支からの検討は「ある温度(と圧力)のもとで、その物質はどんな状態として存在するのが一番安定か」を教えてくれます。例えば氷点下1℃なら「水は固体として存在するのが安定」です。しかし「どれくらいの時間をかけたらその状態に至るのか」は教えてくれません。その状態に1秒で移行するかも知れませんし、1億年かかるかも知れません。

「熱力学的に安定ではないのだが存在できている」例で、一番分かりやすいのがダイヤモンドでしょう。常温常圧における炭素の安定相はグラファイトでありダイヤモンドではありません。ダイヤモンドは本来、常温常圧では存在してはいけない物質なのです。
しかしダイヤモンドがグラファイトに転化するには、とんでもなく高いエネルギー障壁を乗り越えて構造を組み換えねばなりません。この組み換えが起こる確率は非現実的なほどに低いので、事実上常温常圧でもダイヤモンドはダイヤモンドのまま存在できます。

0℃以下になった水も、その安定相は当然に固体である氷です。ところが上記のダイヤモンド→グラファイトの場合と同様、水が氷に変化するにはある障壁を乗り越えなければなりません。実際にはその障壁は大して高くないので水を凍らせるのは別に難しくないのですが、いずれにしても「きっかけが必要」とは言えます。
水に限らず液相→固相の変化において、このきっかけ(あるいは障壁)に相当するのが「核発生」です。核発生理論についてはすでに十分な検討がなされ、学説としては確立しています。

いま液体が融点以下に冷やされて、下の図のように液体の中に小さな固体の粒(核)が発生したとします。この粒は大きく成長できるのでしょうか、それともやがて消滅してしまうのでしょうか。

 液体
   / ̄\
   │固体 │
   \_/

この場合のエネルギー収支を考えてみると
・液体が固体になったことによりエネルギー的に得した分(潜熱放出)

・液体と固体との境界が生じたことによりエネルギー的に損した分
があります。後者のことを「界面エネルギー」などと呼びます。界面エネルギーの概念はややなじみにくいかとも思いますがとりあえずは、異なる相が接している場合にその部分に余分なエネルギーが必要になる、と理解すればよいでしょう。
さて、液体が固体になったことによる自由エネルギー低下分は固体部分の体積、すなわち半径の3乗に比例します。後者は表面積に比例しますから、結局半径の2乗に比例します。これらを差引きして考えると、半径rが大である核ほどエネルギー的に安定であることになります。逆に小さな核はエネルギー的に不安定なため、やがて消滅してしまうことになります。
「小さな核はやがて消滅してしまうのであれば、いつまでたっても核は成長できないのではないか?」
これもおっしゃる通りです。しかし実際には核は生成します。それはどういうことかと言うと、分子は常に離合集散を繰り返しているわけですが、その集合体がたまたま生き残れるために必要な大きさに(確率的に)達したとすると、その先は安定して成長できるようになるからです。

もう少し、数式も取り入れながら説明したいと思います。
いま液相中にnモルの固相が析出し半径rの結晶相(固相)が発生したとします。その場合の自由エネルギー変化ΔG(n)は
ΔG(n)=4πr^2 γ-nΔμ  (1)
と表されます。γは液相-固相の界面エネルギー、Δμは1 molあたりの自由エネルギー変化です。Δμは過飽和度(過冷却度)の関数であり、過飽和度が大きくなればΔμも大きくなります。

析出する結晶相を球形に近似すれば、結晶相のモル体積をνとして
ΔG(r)=4πr^2 γ-(4πr^3 Δμ)/3ν  (2)
と表されます。
(2)をrで微分して0に等しいとおくと、ΔG(r)が極大をとるrの値が
r=2γν/Δμ  (3)
と求まります。
このrの値を臨界半径(臨界曲率半径)などといいr*で表します。これ以上大きいサイズの原子クラスター・分子クラスターであれば、大きくなればなるほど自由エネルギーが下がりますから安定して成長することができます。
Δμを大きくすれば、換言すれば過冷却度を大きくすればr*は小さくなり、確率的なゆらぎで発生した核は小さいものでも生き残れるようになります。よって水の場合、0℃ではすぐに凍らなくとも、-1℃、-2℃と温度を下げればΔμが大きくなり、ついには発生した核が安定して成長し次々と凍ることになります。これが過冷却現象の正体です。
核発生についてご興味があれば参考ページの[1]などもご覧ください。

ついでに、正しい知識について整理しておきましょう。
水を0℃以下の場所に置けばいずれはその場所と同じ温度になるのは確かです。そしてその温度になるのであれば、どれだけ時間がかかろうとも最終的には凍ります。大気圧で0℃以下の環境における水の安定相は、液体でなく固体だからです。「大気圧で0℃以下の環境で、液体の水は平衡状態にはない」なんて当たり前のことを言っているに過ぎません。
過冷却によって0℃以下の水が液体の状態を取りうるのは事実ですが、それは過渡的な現象に過ぎません。「いずれは」と言うなら仮に過冷却がおきようとも、水は最終的に「氷になる」というのが正しい帰結です。過冷却がおきたからといって、0℃以下の環境において水が安定相となることはあり得ません。

また過冷却の水が凍り始めれば確かに潜熱を放出し水の部分の温度は上がります。しかし水の部分の温度が0℃になったからといって凝固が停止するわけではありません。0℃(より厳密に言うなら水の融点)において、水と氷は任意の割合で共存できます。「過冷却状態の水の当初の温度によって、0℃になった時の氷水の氷/水の分量が違ってくる」というのは何かの間違いでしょう。水/氷の系と外界との間にエネルギーのやり取りがないなら分量は変わってきますが、今は「系を0℃に保つ」という条件を付けているのですから、系と外界との間にエネルギーのやり取りがあることは前提となっています。
「-80℃の過冷却状態の水なら、わずかの刺激で全部凍る」というのは間違いではありませんが、「-80℃より高温の過冷却状態の水なら、必ず水の部分が残る」というのは間違いです。上記と同様に外界との間にエネルギーのやり取り(具体的には系からの熱の排出)があるからです。外界とのエネルギーのやり取りがない(完全断熱条件)なら正しいです。

【参考ページ】
[1] 核生成 http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13
「第3章 無容器浮遊溶融プロセシング 資料(2)」のpdfファイルをダウンロードしてお読み下さい。

参考URL:http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13

過冷却がなぜ起こるのか?と問われれば、その答えは「融点以下の液相は固相として存在するのが熱力学的に最も安定だが、実際に凝固するためには「核発生」というきっかけが必要だから」という答えになります。

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お米1合(150g)は炊きあがり後の「ご飯」になった時は大体何グラムでしょうか?
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一合150gのたきあがりは約300gです。ちなみにお茶碗一杯150gおにぎり一個100gすし一貫20gカレー一人前300g弁当一個220gが標準です。


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