¿Por qué el CO22_2 no puede volver a mezclarse con el líquido después de agitar una botella de refresco?

No puedo ver, arriba, la respuesta correcta a la primera parte de la pregunta. Todos tienen la segunda parte correcta.

La primera parte: ¿Por qué agitar la botella hace que burbujee cuando la abres? El gas está en solución en la botella cerrada y sin agitar. La solubilidad de ese gas en ese líquido a esa temperatura y esa presión dicta el nivel de saturación del gas en el líquido. Más gas que eso y burbujea, aumentando la presión dentro de la botella cerrada y forzando más gas en la solución, reduciendo así la presión. Se alcanza un equilibrio.

Pero, ¿por qué el temblor causa un problema? Porque cuando lo sacudes, derramas el contenido. El líquido fluye rápidamente de un extremo al otro del recipiente. Mientras lo hace, fluye lo suficientemente rápido como para volverse turbulento. En la turbulencia, las volutas, las complejidades, los remolinos y el flujo complejo, hay muchos lugares en el líquido donde la presión local es forzada a ser menor que la presión de saturación. Esto se debe a que cualquier paquete de líquido que se acelere en cualquier dirección dejará una zona de baja presión a su paso.

Cuando la presión se fuerza por debajo del nivel de equilibrio, el gas (si se dan suficientes semillas de nucleación) se disolverá instantáneamente dado que la operación se produce a granel y las burbujas de gas se pueden crear en cualquier lugar en 3D.

Pero cuando el gas quiere volver a la solución, está severamente limitado por el área superficial relativamente pequeña del líquido en el cuello de la botella. Solo hay una pequeña superficie disponible para el transporte de gas a través de la interfaz líquido/aire. Estamos severamente limitados en la tasa de disolución. Una lata agitada puede tardar horas en calmarse. Se puede acelerar enfriando, ya que siempre se puede disolver más gas en un líquido más frío.

Esto es lo que creo que sucede. Las botellas con la gaseosa tienen el líquido dentro a presión. En estas condiciones tienes una cantidad de CO$_2$disuelto en el líquido. Si lo agitas, hará algunas burbujas, pero no muchas, y volverá al estado anterior. Si no agita el líquido y abre la botella, la presión caerá a niveles atmosféricos. El CO disuelto$_2$en el líquido está en una mayor concentración que el líquido puede contener para esa presión. Pero no hay semillas de evaporación para que se formen las burbujas. Es algo similar con el agua sobrecalentada, donde ha cruzado el umbral para una transición de fase, pero necesita impurezas para iniciar el proceso en el líquido. Si agita el líquido, producirá burbujas. Si primero agita la botella y luego la abre, el líquido agitado formará burbujas de CO$_2$con la caída de presión. Ahora, una vez que haya reducido la presión sobre la superficie de los líquidos, no hay forma de poner el CO$_2$de vuelta al líquido, excepto para aumentar la presión nuevamente.

Para la primera pregunta , daré una analogía que espero ilustre bastante bien lo que está sucediendo aquí. Imagina que tienes una pelota en el suelo. Ahora viene un terremoto. Si no es demasiado destructivo, la pelota simplemente rodará y tal vez rebote, pero después de que termine el terremoto, seguirá estando en el suelo. Ahora imagina que pondrías esa pelota en tu escritorio (entonces usas algo de trabajo para vencer la gravedad). ¿Qué pasará después del terremoto? Bueno, es bastante seguro que la pelota caerá al suelo y todo su trabajo se irá inútilmente en forma de calor (que se produce cuando la pelota golpea el suelo) y la entropía del sistema aumenta (como debería ser por el Segundo Ley de la Termodinámica ).

Ahora, debería ser bastante obvio que si reemplazas ball en lo anterior con$CO_2$burbuja, trabajo para vencer la gravedad por el trabajo necesario para comprimir la burbuja y terremoto por la sacudida, tienes precisamente la misma situación. Entonces, el sistema está en un equilibrio inestable y cualquier perturbación lo suficientemente grande lo llevará al equilibrio estable.

Su segunda pregunta es trivial o incorrecta, dependiendo de cómo la quiso decir. Si lo dijiste en serio, ¿por qué no ?$CO_2$comprimirse en ese entonces, la razón es la misma por la que las pelotas no saltan sobre tu escritorio cuando se las deja solas. No tienen energía para eso.

Si quisiste decir que solo se disuelve, entonces, de hecho, lo hacen. Tanto el agua como$CO_2$Las moléculas están tanto en el volumen del líquido como en el del aire. Por ejemplo, siempre hay algo de vapor de agua sobre la superficie del agua. La concentración exacta depende del volumen y la presión en la botella, pero excepto por eso, es constante y distinta de cero. Pero las concentraciones en el caso de equilibrio estable son muy diferentes de las concentraciones en el caso inestable (comprimido) y siempre es preferible que el sistema aumente su entropía, pasando así del equilibrio inestable al estable.

El agua puede disolver una cierta (baja) cantidad de CO2. Para crear este efecto "refrescante" (es decir, cuando todos los nervios de la garganta se disparan porque tienen la impresión de estar disueltos por un ácido :-)), se disuelve mucho más CO2 en la soda.

Pero el líquido no puede retener tanto CO2. Para mantener el CO2 allí durante cierto tiempo (digamos un par de meses), la botella está bajo presión. De esta manera, las moléculas de CO2 se distribuirán uniformemente en el líquido. Eso solo funciona porque el líquido puede disolver algo de CO2 en primer lugar. No serviría para algo que no se disuelve (roca, aceite,...).

Un líquido no se puede comprimir, por lo que el volumen del agua no cambia cuando abres la botella. Obtendrá un poco de efervescencia de la pequeña cantidad de aire sobre el líquido. Pero la mayor parte provendrá del CO2 que no se mantiene en el líquido por la presión.

¿Por qué se disuelve el CO2? De hecho, forma un enlace molecular (muy débil) con el agua. De esta forma, todas las moléculas pueden alcanzar un estado de menor energía (el agua forma "bolsas" para las moléculas de CO2 y "descansan" allí a menos que se les moleste).

Esto es muy frágil porque el agua realmente no quiere disolver tanto CO2, solo tiene que hacerlo debido a la presión bajo la cual esto sucede. Ahora, cuando compartes la botella, perturbas este frágil equilibrio. Las moléculas de CO2 se mueven y comienzan a formar minúsculas nubes de gas que tienden a absorberse entre sí (porque se gustan más que el agua): se forman burbujas.

Si no abres la botella y esperas unos días, el agua volverá a disolver el CO2. Esto es lento por muchas razones. En primer lugar, el agua realmente no quiere. En segundo lugar, nadie mezcla el agua, por lo que la parte cercana a la superficie tiene una alta saturación y se dispersa muy lentamente a través de un líquido inalterado. Mezclar el agua sería malo, incluso.

En la planta de producción, se inserta una boquilla en la botella y el CO2 se libera cerca del centro del líquido. Si la botella no estuviera sellada, el CO2 se evaporaría rápidamente. Pero como está sellado, el CO2 se distribuye uniformemente en el líquido (así que en realidad el agua disuelve las burbujas de CO2 , no el CO2 en sí).

Esta es la razón por la que solo obtiene una pequeña efervescencia cuando compra una botella, ya que se ha agitado mucho antes de llegar a su casa (mudanza a un almacén, en un tren/camión, carga/descarga, apilamiento en un estante, llevarlo a casa, etc.).