碳酸饮料为什么不能放进冷冻室？

可乐的主要成分是水、二氧化碳和糖浆。可乐爆炸从原理上来讲还是属于一种物理性爆炸，也就是由于密闭的空间内由于物质状态发生变化，所引起的压力。碳酸饮料爆炸的根本原因可以从两方面考虑：一是水变冰所造成的体积变大，二是溶于水中的二氧化碳气体在水凝成冰的过程中被释出。具体的分析过程参考

那么冰冻的可乐为什么会爆炸呢？我在上面的果壳问答里讨论过可能的科学原理，在这边再总结一下。

1，可乐体积的变化

水在4摄氏度以下是温度越低体积越大的，但是根据这个-30 - 100摄氏度下水的密度表（低于零度的是过冷水的密度），可以看出变化非常不明显。据此可以推测可乐这种水溶液应该是类似的情况。

可乐体积发生剧烈变化是在结冰的过程中。由于冰的密度是0.917g/cm³（0摄氏度1个大气压下），水是1g/cm³，所以结冰后体积膨胀约9%。可乐虽然不是纯水，但与这个数字相差不会太大。

纯水在标准大气压下的结冰点是0摄氏度。当水中溶解了各种溶质时，结冰点就会降低。可乐的结冰点，按照可口可乐官方的说法是大约30华氏度（大约 -1.1摄氏度）。这是开罐之后的可乐，密封的罐装可乐由于内部气压高，结冰点还会降低。不过根据下面的水的三相图可以看出，由于压强变化而导致的结冰点降低并不明显。所以温度下降到一定程度（一般冰箱冷冻室均可达到）时，可乐就会结冰。

结冰之后继续降温，冰的体积也不会再膨胀了。事实上冰是温度越低体积越小的，-180摄氏度时是0.9340 g/cm³。可以看出这个变化同样非常小，可以忽略。

2，二氧化碳气体的变化

可乐中溶解有二氧化碳气体。因此未开封的罐装可乐，内部压强要高于大气压。

关于饮料罐内部的压强，并没有精确的标准值。这个网页上收集了多组数据，都来自研究文献或论著中的实际测定。其中有数据显示：罐装可乐内部压强在4摄氏度时为117千帕，21摄氏度左右时为248千帕。另有数据称在24摄氏度时测出380千帕。与之相比，大气压是101千帕。也就是说冷藏的可乐压强略高于大气压，常温下大约是大气压的2-4倍（略不到4倍）。这与生活经验相符。

这个现象也很好解释。二氧化碳在水中的溶解度是温度越低溶解度越高。降温会促进二氧化碳溶解，降低罐内气压。

但是在可乐开始结冰后，就会有大量二氧化碳释放出来。因为气体不会溶解在冰块中。（关于这一点，有人提到：家里冻冰块时，冰块内部会有小气泡，这正是结冰时析出的空气。这个现象可以作为例证。）

这些释放出的二氧化碳极大增加了罐内的压力。根据波意耳定律，气体的压强与体积成反比（同样质量和温度下）。上面的网页提到罐装可乐（典型为355mL）中一般溶解有3-3.7倍体积左右的二氧化碳，也就是说这些二氧化碳在标准大气压下的体积在1L左右。根据另一个网页的实测数据也得出了近似的值。当它们在密闭的罐子中被释放出来，由于罐子内大部分体积已经被冰块占满（甚至罐子都已变形），此时气体的体积被压得很小，压强自然就会很大。具体有多大，则和罐子的形变、可乐结冰情况等复杂因素有关，无法估算。随口假设，这些气体被压缩为标准大气压下的5%（也就是1L气体被压成了50mL，考虑到罐子变形后的体积和内部结冰的情况，50mL应该是一个合理的估计），那么它们此时的压强就是20个标准大气压。

根据可口可乐官网，可乐罐被设计为可以承受100PSI（689.5千帕，接近7个大气压）的压强。前面提到，正常情况下保存的可乐，内部通常只有两三个大气压的压强，因此这个设计强度正常使用已经足够。但在我们估计的冷冻极端情况下，显然非常容易发生爆裂。这也就是可乐罐上会标注“禁止加热或0摄氏度以下冷冻”的原因所在。

因此，结冰的可乐罐中，既有体积扩增了9%的冰块，又有冰块中析出的二氧化碳。其内部压强很容易超过可乐罐的设计强度。推测这是此类爆裂事件的主要原因。

3，为什么很多事故发生在开罐时

有些情况下，冷冻可乐是在冰箱里爆炸的。但是开头的那则新闻里提到的则是另一种情况常见：冰冻可乐在开罐时发生了爆炸。

打个比方来理解。比如一个充满了气的气球，气体的压力还不足以使气球破裂。这个时候用针戳破气球，气体从很小的针孔中急速流出，就会发生爆炸。

根据上面的分析，冰冻会使可乐罐内的气体压力增大。有时这个压力不足以使金属的可乐罐裂开，可乐还是完好的，最多可能罐子发生了形变。但是开启可乐则提供了一个让压力宣泄的口子，大量气体（还可能裹挟着可乐液体、冰块）从这个小口喷涌而出，这种快速运动的物质造成的破坏力是导致罐子破裂或者碎片飞起伤人的原因。

4，未结冰的可乐，一开盖就结冰，这种现象如何解释

这是另一个话题，顺便说一下。

有网友提到这种有趣的现象：从冰箱拿出的可乐，还没有结冰。但是一拧开盖，立刻就开始结冰。这种现象常在短时间冷冻下的可乐中出现。有人用“过冷水”的原理来解释。我个人认为原因不在于此。

所谓“过冷水”是指有些时候，纯水的温度降到了零度以下，却没有结冰。其原因是冰的产生类似于晶体生成，需要一个“种子”起到凝结核的作用。如果水的纯度很高、放在很稳定的台面上（因为震荡产生的小气泡也是凝结核）降温，就可能出现温度在零度以下、却没有结冰的现象。在这样的水中加入颗粒物或者略微震荡，就会瞬间结冰。

但可乐中溶有各种溶质和二氧化碳气体，不太可能发生过冷现象。而且有人做实验发现可乐的这种现象在果汁中不会实现，说明二氧化碳是可能的原因之一。

我认为可以用压强对凝固点的影响来解释这种现象。下图是水与某种非挥发性溶液的三相图。（图片来源）

图中黑色的线是纯水，粉色的是某种非挥发性溶液。纵坐标为压强（标出了1个标准大气压），横坐标为温度（标出了0和100摄氏度）。三个区域从左向右是固态、液态和气态。从图中可以看出两个现象：

1. 与纯水相比，相同压强下溶液的结冰点（固态与液态的交界）更低。这就是可乐的结冰点在零下的原因。
2. 纯水和溶液都存在这一现象：随着压强升高，结冰点降低。

瓶装和罐装的可乐，在打开之前，内部压强均比大气压要高。冰冻之后更是如此。如果温度控制得当（或者运气好），可乐温度降到了它在标准大气压下的结冰点，但没有达到它在瓶内实际压强下的结冰点，这时可乐仍然不会结冰。

但是一打开盖子，二氧化碳放出，可乐瓶内的压强立刻降回大气压。这时候可乐完全达到结冰条件，就会迅速结冰。

正如上面提到，结冰的过程类似晶体生成。最先结冰的部位是气体逃逸后压强最先降低的瓶口部位。上层结冰后，新的冰晶在上面的冰晶基础上生成，所以可乐瞬间结冰的过程一般是从上面开始，慢慢向下扩展。