哪種包裝可加長冷飲的保冷度

以金屬罐與塑膠瓶來說,這兩種軟容器對陽光和溫度的反應需歸究於它們的熱特性。在提及二者的熱特性前,我們可以先從了解導熱/傳熱的基礎原理開始說起。

傳熱原理
根據原子的運動和振動量,可以將一種材料描述為“熱”。一切事物都是由原子組成的,眾多原子以獨特的排列聚集在一起形成分子。當這些原子或分子快速振動和彈跳時,材料就會開始變得很熱。當較熱材料中快速移動的原子與較冷材料中移動較慢的原子碰撞時,兩種材料之間就會發生熱傳遞。溫度較高的物質會將其部分“熱能”傳遞給溫度較低的物質,從而觸發其原子更快地移動並開始升溫。這種傳熱將持續下去,直到兩種材料達到溫度平衡。這種熱機制解釋了,為什麼一杯熱咖啡經長時間置放後會冷卻下來。熱的、快速移動的咖啡分子與移動較慢的空氣分子碰撞,振動開始減弱。限制這種能量和熱流的唯一方法是將材料與其周圍環境隔離開來。如果周圍的分子較少,熱物質中快速移動的原子可以撞擊到其中,那麼它將保留更長的能量,從而使整個物質保持更熱。

傳熱與導熱
一種材料向另一種材料有效傳遞熱量或“熱能”的能力在很大程度上取決於其導熱性。熱導率提供了一種測量材料導熱或傳熱能力的方法。該熱測量值表示每單位距離每度溫度傳輸的功率。在MKS系統中,單位為瓦特/米開爾文或W/(m/K)。與塑膠或泡沫相比,金屬通常具有高導熱性,並且對周圍環境溫度變化的響應速度要快得多。塑膠被歸類為絕緣體,對周圍溫度的變化反應極緩慢。金屬和塑膠觀察到的熱導率的差異,可以用金屬觸摸起來比塑膠更冷來解釋。當你觸摸金屬製成的物體時,能量從手指傳導到金屬上,讓你感受到一種涼爽的感覺。這是因為你的體溫高於金屬的體溫,當你的手接觸到金屬時,由於金屬原子開始振動並移動得更快,溫度會開始升高。手與塑膠接觸時會產生相反的效果,甚至摸起來很溫暖。這是由於塑膠的低導熱性,限制了從手到塑膠的快速傳熱。

 

塑膠的熱性能
大多數塑膠的平均導熱係數約為0.02-0.05 W/(m/K),這與鋁的熱導率相差五個數量級。這意味著,當鋁和塑膠都暴露在相同的環境溫度下時,鋁每單位距離傳遞的熱量比塑料製品多10萬倍。這種極低的熱導率,是由於塑膠中的電子與各自的分子緊密結合造成的,所以它們需要大量的能量才能移動。由於熱能是通過相互碰撞的振動分子傳遞的,因此大多數塑膠由於其原子不能快速振動而成為不良的導熱體。聚苯乙烯泡沫塑料的導熱係數甚至比傳統塑膠更低,因為材料中有大量被困的氣泡,這些氣泡會進一步限制能量流動。聚苯乙烯泡沫塑料(俗稱為保麗龍)的導熱係數非常低,約為0.33W(m/K),是一種極好用於盛裝熱飲的材料,它可避免你的手在短/長時間觸碰也不會因過熱而被燙傷。

图 1:塑料水瓶在生产线上灌装。

(圖一) 生產線上正在灌裝的塑料水瓶

水和碳水飲料經常會用塑膠瓶包裝。如果將這些瓶子放在陽光直射下,紫外線可以穿透塑膠,到達瓶子內的液體。瓶子同時還起到放大鏡的作用,使瓶子內的陽光更加集中。這種效應不僅可以彌補塑膠和金屬之間導熱係數的差異,還可以顯著降低塑膠的絕緣性能。因此,塑膠瓶內的液體比不透明金屬容器內的液體升溫更快。

塑膠對地球造成了一些嚴重的負面環境影響。僅在美國,每天就有超過6000萬個塑膠瓶被生產、運輸和處理。由於塑膠回收率低,且重複使用時間短,這些瓶子大多數終將被填埋。而這些塑膠瓶,可能需要將近700年的時間才能開始分解,此外當它們暴露於高溫環境下時,還會釋出有害化學物質。這也是為什麼在炎熱的夏天外出時,金屬瓶應作為飲料容器首選的另一個原因。

被浪费的塑料瓶和金属罐

(圖二) 廢棄的塑膠瓶和金屬罐

金屬的熱性能
大多數製造和設計用於盛裝液體的金屬罐是由鋁製成的。鋁的導熱係數為205 W/(m/K),遠遠高於目前生產的任何塑膠材料。金屬罐裝是冷藏的最佳選擇,因為在密閉空間中,氣流對溫度的控製作用較小。鋁的導熱係數高,可以在冰箱冷空氣和較熱飲料之間進行更快、更有效的傳熱,飲料可以更快地冷卻。金屬是優良的熱導體,這主要是由於其原子上鬆散的電子在熱源的影響下很容易振動和移動。這種相同的結構特徵使金屬具有高導熱性,因為自由移動的電子可以更容易地在整個材料中分配熱能。

设计用于盛装饮料的传统铝罐

(圖三) 設計用於盛裝飲料的傳統鋁罐

保溫瓶是保持飲料溫度穩定的絕佳選擇。保溫瓶的大部分絕緣性能來自真空密封的雙壁,這種真空密閉性可以將從液體中逸出到周圍環境中的熱空氣或冷空氣累積起來。熱量很容易通過空氣進行傳遞,因此需要隔熱以保持液體的溫度穩定。當液體和環境之間沒有傳熱時,液體的溫度將更難改變。儘管許多保溫瓶的外部是由金屬製成的,但它們通常在設計中加入導熱係數較低的多層塑膠以進一步減少熱傳遞。

直到近幾年,大量由鋼製成的金屬瓶和食品容器還加入了鍍鋅鋼保護塗層,以防止金屬生鏽、腐蝕和弱化。這種鍍鋅鋼保護塗層,是由一層較厚的金屬層(鋼或鐵)將鋅層包裹而成。鍍鋅鋼的熱導率為52瓦/(m/K),與大多數鋼材料的熱導率相當。大多數製造商已經不再使用鍍鋅鋼製造飲料容器,因為美國農業部認為,根據飲料的酸度,大量鋅塗層的存在可能會有溶解到飲料中的食品安全風險。

标准塑料保温瓶设计,带有真空密封内壁,旨在为饮料保温。圖四:標準塑料保溫瓶設計,帶有真空密封內壁,旨在為飲料保溫

總結
根據目前的實際情況,導熱係數高或低的材料都是保持飲料涼爽的不錯選擇。金屬罐放置在冰箱中時,由於冷熱空氣在較熱的金屬罐和冰箱中較冷的周圍空氣之間快速轉移,因此冷卻速度會大大加快。另一方面,當金屬罐置於陽光直射下時,與限制從熱空氣到液體的能量傳遞的塑料瓶相比,它可以以極快的速度升溫。通過比較塑料和金屬材料的熱導率,分析材料對溫度變化的響應差異。保溫瓶等可重複使用的容器可以利用金屬和塑膠的熱特性,製造最有效的溫度調節器,讓飲料持續保溫或保冷。

 

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