料瓶或金属罐，哪种包装方式可让冷饮更持久保温

前言

想象一下，炎炎夏日，您坐在户外，悠闲地畅饮着一瓶你最喜欢的冷饮。几分钟后，你可能会发现你的冷饮不再凉爽且味道寡淡，这会是一个非常不愉快的体验。如果您购买的是装在金属罐中的苏打水，您的饮料可能会持久保持凉爽，并且不会因暴露在炎热的太阳下而变质。这两种软饮料容器对阳光和温度的反应之间的差异可归因于它们的热特性。

传热机理

根据原子的运动和振动量，可以将一种材料描述为“热”。一切事物都是由原子组成的，许多原子以独特的排列聚集在一起形成分子。当这些原子或分子快速振动和弹跳时，材料就会显得很热。当较热材料中快速移动的原子与较冷材料中移动较慢的原子碰撞时，两种材料之间就会发生热传递。温度较高的物质会将其部分“热能”传递给温度较低的物质，从而触发其原子更快地移动并开始升温。这种传热将持续下去，直到两种材料达到温度平衡。这种热机制解释了，为什么一杯热咖啡如果长时间放在柜台上会冷却下来。热的、快速移动的咖啡分子与移动较慢的空气分子碰撞，振动开始减弱。限制这种能量和热流的唯一方法是将材料与其周围环境隔离开来。如果周围的分子较少，热物质中快速移动的原子可以撞击到其中，那么它将保留更长的能量，从而使整个物质保持更热。

传热与导热

一种材料向另一种材料有效传递热量或“热能”的能力在很大程度上取决于其导热性。热导率提供了一种测量材料导热或传热能力的方法。该热测量值表示每单位距离每度温度传输的功率。在MKS系统中，单位为瓦特/米开尔文或W/（m/K）。与塑料或泡沫相比，金属通常具有高导热性，并且对周围环境温度变化的响应速度要快得多。塑料被归类为绝缘体，对周围温度的变化反应极缓慢。金属和塑料观察到的热导率的差异，可以用金属触摸起来比塑料更冷来解释。当你触摸金属制成的物体时，能量从手指传导到金属上，让你感受到一种凉爽的感觉。这是因为你的体温高于金属的体温，当你的手接触到金属时，由于金属原子开始振动并移动得更快，温度会开始升高。手与塑料接触时会产生相反的效果，甚至摸起来很温暖。这是由于塑料的低导热性，限制了从手到塑料的快速传热。

塑料的热性能

大多数塑料的平均导热系数约为0.02-0.05 W/（m/K），这与铝的热导率相差五个数量级。这意味着，当铝和塑料都暴露在相同的环境温度下时，铝每单位距离传递的热量比塑料制品多10万倍。这种极低的热导率，是由于塑料中的电子与各自的分子紧密结合造成的，所以它们需要大量的能量才能移动。由于热能是通过相互碰撞的振动分子传递的，因此大多数塑料由于其原子不能快速振动而成为不良的导热体。聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数甚至比传统塑料更低，因为材料中有大量被困的气泡，这些气泡会进一步限制能量流动。聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数非常低，约为0.33W（m/K）。它是一种极好用于盛放热饮料的材料，因为它可以保护你的手，即使在长时间触摸后也不会因过热而被烫伤。

图一：生产线上正在灌装的塑料水瓶

水和软饮料经常会用塑料瓶包装。如果将这些瓶子放在阳光直射下，紫外线可以穿透塑料，到达瓶子内的液体。瓶子同时还起到放大镜的作用，使瓶子内的阳光更加集中。这种效应不仅可以弥补塑料和金属之间导热系数的差异，还可以显著降低塑料的绝缘性能。因此，塑料瓶内的液体比不透明金属容器内的液体升温更快。

将塑料瓶罐装饮料，会对我们的地球会造成一些严重的负面环境影响。仅在美国，每天就有超过6000万个塑料瓶被生产、运输和处理。由于塑料回收率低，且重复使用时间短，这些大多数瓶子最终将被填埋。而这些塑料水瓶，可能需要将近700年的时间才能开始分解。而当它们暴露于高温或阳光下时，会滤出有害化学物质。这也是为什么与传统的塑料水瓶相比，在炎热的夏天外出时，金属瓶应作为饮料容器首选的另一个原因。

图二：被浪费的塑料瓶和金属罐

金属的热性能

大多数制造和设计用于盛装液体的金属罐是由铝制成的。铝的导热系数为205 W/（m/K），远远高于目前生产的任何塑料材料。金属罐装是冷藏的最佳选择，因为在密闭空间中，气流对温度的控制作用较小。铝的导热系数高，可以在冰箱冷空气和较热饮料之间进行更快、更有效的传热，饮料可以更快地冷却。金属是优良的热导体，这主要是由于其原子上松散的电子在热源的影响下很容易振动和移动。这种相同的结构特征使金属具有高导热性，因为自由移动的电子可以更容易地在整个材料中分配热能。

图三：设计用于盛装饮料的传统铝罐

保温瓶是保持饮料温度稳定的绝佳选择。保温瓶的大部分绝缘性能来自真空密封的双壁，这种真空密闭性可以将从液体中逸出到周围环境中的热空气或冷空气收集起来。热量很容易通过空气传递，因此需要隔热以保持液体的温度稳定。当液体和环境之间没有传热时，液体的温度将更难改变。尽管许多保温瓶的外部是由金属制成的，但它们通常在设计中加入导热系数较低的多层塑料以进一步减少热传递。

直到近几年，大量由钢制成的金属瓶和食品容器还加入了镀锌钢保护涂层，以防止金属生锈、腐蚀和弱化。这种镀锌钢保护涂层，是由一层较厚的金属层（钢或铁）将锌层包裹而成。镀锌钢的热导率为52瓦/（m/K），与大多数钢材料的热导率相当。大多数制造商已经不再使用镀锌钢制造饮料容器，因为美国农业部认为，根据饮料的酸度，大量锌涂层的存在可能会有溶解到饮料中的食品安全风险。

图四：标准塑料保温瓶设计，带有真空密封内壁，旨在为饮料保温

总结

根据目前的实际情况，导热系数高或低的材料都是保持饮料凉爽的不错选择。金属罐放置在冰箱中时，由于冷热空气在较热的金属罐和冰箱中较冷的周围空气之间快速转移，因此冷却速度会大大加快。另一方面，当金属罐置于阳光直射下时，与限制从热空气到液体的能量传递的塑料瓶相比，它可以以极快的速度升温。通过比较塑料和金属材料的热导率，可以分析材料对温度变化的响应差异。保温瓶等可重复使用的饮料容器可以利用金属和塑料的热特性，是最有效的温度调节器，可以让饮料持续保温。