Hva skjer hvis du legger en boks i fryseren? Vann og CO2s rolle og eksplosjonsfare

Eksplosjonen av drikker oppbevart i fryseren for lenge er knyttet til kombinasjonen av to kjemisk-fysiske fenomener: på den ene siden vannet i drikken den øker i volum når den fryserfordi is tar mer plass enn flytende vann; på den annen side, under frysingkarbondioksid (CO₂) oppløst i drikken (gassen som «bruser») frigjøres gradvis utelukket fra den faste fasenisen, og konsentrater i den fortsatt flytende delen, modifiseres balansen mellom indre trykk. Spesielt nå som det er sommer, det er varmt og vi gjerne vil nyte en god drink med vennene våre til middag, hender det ofte at vi bruker fryseren for å kjøle den ned så raskt som mulig. Nå vet du hvorfor det er bra å beholde det bare for noen få minutter. En boks med kullsyreholdig drikke er faktisk en beholder designet for å inneholde en drink som allerede er utsatt for trykket som genereres av CO₂. Hvis frysingen fortsetter tilstrekkelig, kan disse fenomenene øke belastningen på beholderenee favoriserer deformasjoner, lekkasjer eller brudd på flasken eller boksen, og i det lange løp… bom!

Frysing kan skade en brusboks: årsaken er vann

Det første fenomenet å vurdere er vannets oppførsel når den endres fra flytende til fast tilstand. Normalt er vi vant til å tenke at ved å avkjøle et flytende stoff tar det mindre plass, og faktisk er det i de fleste tilfeller slik. Vann er imidlertid et unntak: tilstedeværelsen av sterke hydrogenbindinger mellom et molekyl av H₂Enten eller, de får vannet til å fryse, forutsatt et krystallinsk arrangement (av den fysiske ankomstfasen, dvs. is) mer åpen og romslig sammenlignet med væskefasen: med andre ordopptar is et større volum enn vann. Dette første aspektet får oss allerede til å forstå at beholderen må være tilstrekkelig motstandsdyktig til å tåle denne svake volumøkningen.

For det andre er det viktig å forstå atkarbondioksid (CO₂) som finnes i kullsyreholdige drikker forblir oppløst i vann takket værehøyt trykk (og lav temperatur, når det gjelder kjøleskapet) inne i boksen. Denne oppførselen er beskrevet av Henrys lovifølge hvilken jo høyere trykk en gass har, desto større mengde kan oppløses i en væske. Når drikken begynner å fryse, har imidlertid isen som dannes en tendens til det «utelat» CO₂. Følgelig gassen konsentreres i den delen av drikken som fortsatt er flytende.

Som Li og kolleger, som studerte dannelsen av bobler under frysing av vanndråper, forklarer, er gassen avvist ettersom isfronten beveger seg frem og gradvis akkumuleres foran vann-is-grensesnittet, til den blir fanget som faktiske bobler i selve isen. Det samme fenomenet utnyttes på industrielt nivå for å konsentrere væsker som melk eller fruktjuicer, der det kalles kryokonsentrasjon (fryse konsentrasjonen).

På denne måten, ettersom isen tar mer og mer plass, CO-balansen endres også₂ inne i drinkenbidrar til øke belastningen på beholderen. Det er som om mens vannet fryser og ordner seg i isens ordnede struktur, det var ikke plass til noe annet molekyl hvis ikke vannet i seg selv: dermed alle gasser, først og fremst CO₂blir de «sparket ut».

For det skjer oftere med kullsyreholdige drikker

I virkeligheten er utvidelse av vann under frysing av interesse noen drikke, selv de ikke-kullsyreholdige som fruktjuice eller vin med deformering av flasken eller i verste fall, brudd. I kullsyreholdige drikker spiller imidlertid et annet fenomen inn: i tillegg til utvidelsen av is, er det også til stede oppløst karbondioksidsom bidrar til å modifisere trykkforholdene inne i beholderen. Dette gjør systemet mer komplekst enn å bare fryse en flaske vann: boksen må samtidig klare utvidelsen av innholdet og tilstedeværelsen av en gass under trykk: ikke en, men to fenomener som risikerer å kompromittere integriteten til beholderen.

En boks er allerede en trykkbeholder: hva skjer når den gir etter

Drikkebokser er ikke enkle beholdere, men metallkonstruksjoner designet for å motstå indre trykk. CO₂ tilsatt under produksjon av brus forblir i balanse mellom væske- og gassfasen, og skaper allerede en lett trykk inne i pakken. Ingeniørstudier på aluminiumsbeholdere har analysert den mekaniske oppførselen til bokser utsatt for indre trykk, og viser hvordan deres geometri og materiale er designet for å tåle disse forholdene.

Som vi har sett, når en boks står lenge nok i fryseren, oppstår frysing endrer indre forhold: vannet blir til is og utvider seg og CO₂ det omfordeles i den ikke-frosne delen av drikken. Denne økningen i stress kan føre til deformasjon av emballasjen og, hvis de mekaniske grensene for materialet overskrides, til tap av integritet av boksen. Det samme prinsippet gjelder for en glemt øl i fryseren: problemet er ikke at drikken blir farlig fra et kjemisk synspunkt, men det beholderen kan være skadet går i stykker eller i verste fall eksploderer.

Deretter legger du en kullsyreholdig drink i fryseren i noen minutter er det ikke noe problemmen å la den fryse helt kan gjøre en enkel boks til en lite hjemlig problem: ikke en ekte film «eksplosjon», men nok til å finne seg selv fryseren full av frossen cola eller brus.