經典物理學最後的諾貝爾獎課題——如何倒啤酒

2021-01-09 中科院物理所

為什麼說「如何倒啤酒」成為了諾貝爾獎課題呢?

(圖摘自網絡)

其實,倒啤酒過程中,啤酒一般處於湍流狀態,而著名物理學家理察·費曼(1965年諾貝爾物理獎得主)曾將湍流稱為「經典物理學中最後一個尚未解決的重要問題」,也可以理解為湍流將是經典物理學中最後一個有可能授予諾貝爾獎的難題。

(圖摘自網絡)

本文內容的學術說法是:「湍流中的能量耗散對多相複雜流各相成分佔比影響的機理研究」,簡單地說,就是「搗鼓如何倒啤酒才能減少泡沫子」。。。

(圖摘自網絡)

言歸正傳,倒啤酒時我們都會遇到一個問題:一不小心就會有大量泡沫溢出!

(圖摘自網絡)

泡沫是如何產生的?應該如何讓泡沫最少?本文就帶你了解其中的原理,手把手教你解鎖各種倒啤酒的姿勢。

※※啤酒氣泡來源※※

啤酒是一種以麥芽、水為主要原料,加啤酒花,經酵母發酵釀製而成的發酵酒,也可稱作是一種氣泡酒。

瓶裝或者罐裝的啤酒是二氧化碳的過飽和溶液,這些二氧化碳主要有兩種來源:一種是發酵過程中酵母自然產生的;另一種是在工業灌裝的過程中加入的。

(圖摘自網絡)

如果啤酒有劇烈的運動(搖晃或快速倒入杯子裡),溶解的二氧化碳就會分離出來,形成很多氣泡,在液面上會留有大量白色泡沫。

※※啤酒中氣體逸出原理※※

首先,由能量守恆定律:

E=Ek+Eg+Q

可知,總能量E是由機械能和內能Q組成,而機械能又包括動能Ek和勢能Eg,內能Q包括分子動能和分子勢能。

複習:宏觀來講,內能一般是指阻力做的負功或因做功產生的熱量。如果一個運動體系產生了內能,說明機械能總和(Ek+Eg)減少。

由此可知,當液體內能增加,其內部溶解的氣體分子動能會隨著增加,從而加快氣體的逸出速度。

而啤酒中二氧化碳逸出的速度同樣取決於啤酒的內能,其內能越大,二氧化碳逸出速度便越快。

隔空倒酒產生大量氣泡(圖摘自網絡)

因此,當啤酒從酒瓶(高位置)倒入杯子(低位置),在啤酒與杯子接觸之前,啤酒的勢能Eg減小,動能Ek增加,理想條件下機械能總和(Ek+Eg)不變。

然而,啤酒與杯子碰撞後,啤酒動能Ek減小,導致機械能減小,而減小的機械能卻轉化為了內能,此時溶解在啤酒中的二氧化碳迅速吸收這些能量逸出,從而形成了大量的泡沫。

啤酒液滴落地後,動能耗散導致氣體逸出(圖摘自網絡)

因此,倒啤酒過程實際為能量轉化過程,即消耗的機械能轉換成啤酒內能促使溶解的二氧化碳逸出,從而產生氣泡,進而累積成泡沫。

不過,恆溫條件下,即使沒有幹擾,二氧化碳過飽和的啤酒中二氧化碳逸出也是必然會發生的,不過相對於動能耗散的作用而言其還是比較弱的。

※※啤酒泡沫的特點※※

說起啤酒泡沫,就會想起可樂等碳酸飲料的泡沫。那麼,問題來了:可樂氣泡和啤酒泡沫是一樣的嗎?

啤酒泡沫溶解動圖(圖摘自網絡)

答案是否定的!

碳酸飲料,顧名思義二氧化碳都是裝瓶時人工壓入的,而且其產生的泡沫會很快破碎並且伴隨小液滴向周圍噴濺,因而很難持久漂浮在液面上。

可樂泡沫破裂伴隨液滴噴濺(圖摘自網絡)

然而,我們發現:啤酒泡沫卻需要很長時間才能全部溶解。到底是為什麼呢?

其實,啤酒釀造過程中,主要原料大麥會遭受真菌感染,產生大量可以作為表面劑的有機物分子,這些有機分子會吸附發酵時產生的二氧化碳,起到(泡沫)表面活性劑的作用,讓泡沫不容易破碎,從而更容易形成穩定持久的泡沫。

因此,碳酸飲料的泡沫和啤酒的泡沫產生機制雖然基本相同,但是物理性質卻有明顯差異。

※※如何控制泡沫量※※

經常喝啤酒的人會發現,並不是倒出的泡沫量越少越好!有些啤酒沒有泡沫的話口感會很差。

美式啤酒的IPA啤酒傾倒速度就算再快泡沫量也是很少;比利時的金卡路啤酒,成功的倒酒出來後泡沫要和酒體等高;而在很多場合,追求的卻是產生漂亮的泡沫。

要控制啤酒泡沫量,即控制二氧化碳逸出量,根本上就是控制啤酒機械能的轉化。本文主要講如何減小氣泡量。

從上面理論解釋可知,如果想減少氣泡量,就應該在倒酒的過程中儘量保證流動穩定、緩慢、沒有突然的加速和減速、沒有明顯的渦流。

OK,下面是解鎖的正確倒啤酒姿勢:

1、沿著杯壁倒酒,利用杯壁的阻力減慢啤酒的流動。

2、杯子的傾斜角儘量大。

一開始可讓杯子水平,隨著啤酒的注入不斷減小杯子傾斜度,直至盛滿且杯子垂直。這樣可以進一步減小液體接觸到杯底減速時的動能耗散。為了動作優雅,一般初始角度控制在45°左右即可。

(圖摘自網絡)

3、啤酒瓶本身傾斜不要太嚴重。

要保證不在瓶口出現咕嘟咕嘟的氣泡,即防止開始就引起二氧化碳大量逸出。

4、儘量擦除杯壁異物

氣泡產生還會依託於酒杯的某些汽化中心,仔細看高腳杯中的啤酒就會發現氣泡總是從杯壁上特定的幾個點冒出來的,而汽化中心正是由酒杯壁上附著的空氣漂浮物引起的。

氣泡單點逸出(圖摘自網絡)

5、最最關鍵的一點仍然是:慢點倒!

其實,以上五點無不是以減小啤酒動能耗散為目的的,只要能正確掌握這幾個姿勢,就能倒出一手好啤酒。

另外,雖然可樂和啤酒產生泡沫不同,但解鎖的正確姿勢卻是通用的哦。

來源:神奇的流體

編輯:lwk

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