과제연구발표대회 콜라베어

교내 과제연구발표대회에 탄산음료의 폭발력에 영향을 주는 요인이라는 주제를 가지고 탐구를하고 강당에서 발표를 하게 되었다.

연구동기 : 친구가 흔든 콜라를 받고 아무것도 모른 채 보기좋게 뚜껑을 따다가 콜라를 뒤집어쓰고 이 탄산음료가 제로콜라나 탄산수라면, 다른 브랜드의 콜라라면, 캔이 아니라 페트병이나 유리병이라면, 더 차갑거나 따뜻하다면 폭발력이 달라질까? 생각하고 더욱이 탄산음료가 폭발하는 원인을 바탕으로 음료가 흔들어졌을 때 폭발을 막을 수 있는 방법과 그 이유를 알아내고자 한다.

연구문제 : 탄산음료를 흔든 후 개봉했을 때의 폭발력에 영향을 미치는 요인을 알아보고, 탄산음료가 폭발하는 원인을 토대로 이미 알려진 폭발방지방법들을 검증해본다. 실험결과를 토대로 가장 효과적인 폭발방지방법을 알아낸다.

이론적배경

탄산음료 폭발의 이유
병을 흔들면 꼭대기 공간의 공기에 기체가 액체 속에 섞이며 거품을 형성하고, 거품을 핵으로 하여 기체분자들이 모여 커진다. 즉, 탄산음료가 흔들리면 그 안에 녹아 있던 이산화탄소가 나오면서 음료 속에 기포를 만든다. 이때 뚜껑을 열면 순간적으로 병 안의 압력이 낮아지며 이산화탄소 기포들이 일제히 탈출한다. 이 과정에서 기포가 빠르게 부풀며 음료가 함께 밖으로 뿜어져 나온다. 이때 직접적으로 음료가 터지는데 영향을 주는 기포는 벽면과 음료 속에 있는 기포들이다. 표면에 있는 기포들은 쉽게 터져 별 영향을 주지 않는 반면 음료 속의 기포는 뚜껑을 여는 순간 음료와 함께 나와 탄산음료를 폭발시킨다.

넘처나온 음료의 무게를 부피로 환산하기 위해 밀도를 구했다.

코카콜라
0.889
코카콜라제로
0.989
펩시콜라
0.968
트레비탄산수
0.977

데이터의 분석방법으로 일원분산분석을 채택했다.

실험내용

준비물 : 코카콜라(210mL) 캔 36개, 코카콜라(250mL) 캔 2개, 코카콜라zero(250mL) 캔 2개, 펩시콜라(250mL) 캔 2개, 페트병 코카콜라(500mL) 2개, 유리병 코카콜라(355mL) 2개, 트레비 탄산수(500mL) 2개, 온도계 4개, 수조 3개, 비커, 전자저울, 페트리 접시, 여행용티슈, 두루마리 휴지, 키친타올, 편의점 휴지 등

폭발력 측정 방법
처음에는 수조에 흔들어진 탄산음료를 놔두고 음료를 개봉했을 때 폭발하여 흘러나온 양을 측정하여 폭발의 정도를 비교하려고 했으나, 흘러나오는 양에 상대적으로 적을 때는 이 방법만 사용해서는 측정이 잘 이루어지지 않는다는 문제점이 발생했다. 따라서 탄산음료를 수조에 놔두고 개봉한 후 폭발하여 흘러나온 음료를 휴지로 흡수하여 음료가 흡수된 휴지의 무게를 측정해서 폭발의 정도를 비교하는 방법으로 수정하였다.
연구에 사용할 휴지를 선정하는 과정에서 사전실험을 통해 흡수속도가 가장 뛰어난 휴지를 탐색했다. 여행용티슈(A), 두루마리휴지(B), 키친타올(C), 편의점티슈(D)를 동일한 폭으로 잘라서 콜라에 동시에 넣어 3분 뒤 흡수된 높이를 비교해보았다.
여행용티슈(A), 두루마리휴지(B), 키친타올(C), 편의점티슈(D) 순서로 흡수율이 높은 것을 알 수 있었다. 따라서 우리는 흘러나온 탄산음료를 흡수율이 가장 높은 여행용티슈로 측정을 하여, 흘러나오는 액체의 양을 가장 정밀하게 측정하려고 했다.

폭발력에 영향을 주는 요인 분석
우리는 탄산음료의 폭발력에 영향을 줄 만한 요인으로 ①탄산음료의 종류, ②탄산음료 용기의 종류, ③탄산음료를 흔드는 방법 및 강도, ④탄산음료의 온도를 생각했다. 따라서 이 요인들 각각을 변인으로 하여 그 영향을 알아보는 네 가지 실험을 진행했다.

[실험1] 탄산음료의 종류와 폭발력의 관계 탐구
① 코카콜라(250mL), 제로콜라(250mL), 탄산수(500mL)를 60cm 수직위아래로 한 번 왕복하는 것을 1회 시행으로 하여, 20회 흔든 후 개봉했을 때 흘러나온 음료를 여행용티슈를 이용해 흡수한다.
② 음료를 흡수한 여행용 티슈의 무게를 페트리 접시 위에 올려 전자저울로 측정하고, 측정한 값에서 티슈의 무게를 빼서 흘러나온 음료의 무게를 구한다.
③ 코카콜라(250mL)와 펩시(250mL)도 위와 동일한 방식으로 실험한다.
④ 위의 과정을 2회 반복한다.
※ 실험1에서는 탄산음료의 종류가 다르기 때문에 흘러나온 음료의 무게를 부피로 환산하여 흘러넘친 양을 비교해준다.

※ [실험2], [실험3], [실험4]에서 사용하는 콜라는 210mL 캔 코카콜라로 통일한다.

[실험2] 탄산음료 용기의 종류와 폭발력의 관계 탐구
① 캔 콜라(250mL), 페트병 콜라(500mL), 유리병 콜라(355mL)를 60cm 수직위아래로 한 번 왕복하는 것을 1회 시행으로 하여, 20회 흔든 후 개봉했을 때 흘러나온 음료를 여행용티슈를 이용해 흡수한다.
② 음료를 흡수한 여행용 티슈의 무게를 페트리 접시 위에 올려 전자저울로 측정하고, 측정한 값에서 티슈의 무게를 빼서 흘러나온 음료의 무게를 구한다.
③ 위의 과정을 2회 반복한다.

[실험3] 탄산음료를 흔드는 방법 및 강도와 폭발력의 관계 탐구
※ [실험3]에 사용된 콜라의 온도는 14℃로 일정하게 유지한다.

<음료를 세워서 흔들 때>
① 코카콜라(210mL)를 60cm 수직위아래로 한 번 왕복하는 것을 1회 시행으로 한다.
② 5회, 10회, 15회, 20회, 25회, 30회, 35회, 40회, 45회 흔든 후 개봉했을 때 흘러나온 음료를 여행용티슈를 이용해 흡수한다.
③ 음료를 흡수한 여행용 티슈의 무게를 페트리 접시 위에 올려 전자저울로 측정하고, 측정한 값에서 티슈의 무게를 빼서 음료의 무게를 구한다.
④ 위의 과정을 2회 반복한다.

<음료를 눕혀서 굴릴 때>
① 코카콜라(210mL)를 30cm간격으로 10번, 20번, 30번 왕복으로 굴린 후, 위와 동일한 방식으로 흘러나온 음료의 양을 측정한다.

[실험4] 탄산음료의 온도와 폭발력의 관계 탐구
① 얼음물(2℃), 상온의 물(24℃), 따뜻한 물(45℃)에 코카콜라(210mL)를 5분정도 담가 둔다.
② 5분 정도 담가둔 음료를 60cm 수직위아래로 한 번 왕복하는 것을 1회 시행으로 하여, 20회 흔든 후 개봉했을 때 흘러나온 음료를 여행용티슈를 이용해 흡수한다.
③ 음료를 흡수한 여행용 티슈의 무게를 페트리 접시 위에 올려 전자저울로 측정하고, 측정한 값에서 티슈의 무게를 빼서 음료의 무게를 구한다.
④ 위의 과정을 2회 반복한다.

다. 폭발 방지 방법의 효과 확인
우리는 알려진 폭발 방지 방법을 크게 아래 2가지로 정리하였다.
① 음료의 윗부분을 두드리는 경우
② 음료를 눕혀서 왕복으로 굴리는 경우
따라서 이 방법들 각각의 효과를 비교하는 실험을 진행했다.

그림 11 병따개로 콜라의 윗부분을 두드리는 모습
[실험5] 폭발 방지 방법의 효과 비교

<음료의 윗부분을 두드리는 경우>
① 캔콜라(210mL)를 60cm 수직위아래로 한 번 왕복하는 것을 1회 시행으로 하여, 20회 흔든 후 병따개로 두드린다.
② 10, 20, 30, 40회 두드린 후 음료를 개봉했을 때 흘러넘치는 양을 위의 실험들과 동일한 방식으로 측정한다.

<음료를 눕혀서 왕복으로 굴리는 경우>
① 캔콜라(210mL)를 60cm 수직위아래로 한 번 왕복하는 것을 1회 시행으로 하여, 20회 흔든 후 굴린다.
② 굴리는 것은 30cm를 왕복 한 번 갔다 오는 것을 1회 시행으로 한다.
③ 5, 10, 15, 20회 굴린 후 음료를 개봉했을 때 흘러넘치는 양을 위의 실험들과 동일한 방식으로 측정한다.

1. 실험결과
   가. 폭발력에 영향을 주는 요인 분석
   [실험1] 탄산음료의 종류와 폭발력의 관계 탐구

코카콜라(250mL), 펩시콜라(250mL), 코카콜라제로(250mL), 트레비탄산수(500mL)의 흘러넘친 양을 측정한 결과를 아래에 정리했다.

코카콜라가 코카콜라제로에 비해 20g(약 22.49mL)정도 많이 흘러넘쳤다. 탄산수를 20회 흔든 후 개봉했을 때는 음료가 흘러넘치지 않고, 용기에 가득 찰 정도로만 올라왔다. 또한 코카콜라와 펩시콜라를 각각 20회 흔든 후 개봉했을 때 코카콜라가 펩시콜라보다 5g(약 5.62mL)정도 더 많이 흘러나왔다.

※ [실험1]은 음료의 종류가 다르기 때문에 다른 실험과 달리 무게를 부피로 환산하여 결과를 산출했다.

mL
코카콜라
코카콜라제로
탄산수
1차
44.8
16.7
0
2차
46.5
17.6
0

mL
코카콜라
펩시콜라
1차
44.8
37.2
2차
46.5
40.4

[실험2] 탄산음료 용기의 종류와 폭발력의 관계 탐구
용기의 종류에 따라 흘러넘친 탄산음료의 양을 측정한 결과를 아래 표에 정리했다.

캔(g)
페트병(g)
유리병(g)
1차
39.9
199.1
68.9
2차
41.4
190.2
68.1

‘페트병 콜라 >> 유리병 콜라 > 캔 콜라’ 순서로 음료가 흘러나온 양이 많았고, 페트병 콜라가 압도적으로 많은 양이 흘러 나왔다.

[실험3] 탄산음료를 흔드는 방법 및 강도와 폭발력의 관계 탐구

<세워서 흔든 경우>
콜라를 세워서 5회, 10회, 15회, 20회, 25회, 30회, 35회, 40회, 45회 흔들었을 때 음료가 흘러넘친 정도는 아래 표와 같다.
흔드는 횟수가 늘어날수록 흘러나온 음료의 양은 증가하며, 두 차례에 걸친 실험결과, 20회에서 25회 사이 구간에서 큰 폭으로 증가하는 양상을 보였다. 25회 이후로는 이전에 비해 횟수 당 흘러넘치는 정도가 줄어들었다.

<눕혀서 굴린 경우>
콜라를 흔들지 않은 상태로 눕혀서 30cm간격으로 10번, 20번, 30번 왕복으로 굴렸을 때는 폭발이 일어나지 않았고 음료도 흘러나오지 않았다.

[실험4] 탄산음료의 온도와 폭발력의 관계 탐구
얼음물(2℃), 상온의 물(24℃), 따뜻한 물(45℃)에 5분정도 담가둔 콜라를 20회 흔들었을 때 음료가 흘러넘친 정도는 아래의 표와 같다.

얼음물 + 20회
상온의 물 + 20회
따뜻한 물 + 20회
1차
7.9
27.4
62+
2차
7.4
37.8
63+

실험결과, 얼음물(2℃)에 담가둔 콜라는 실험3(14℃)에서 15회 정도 흔들었을 때 흘러넘친 콜라의 양과 비슷하다. 이것은 콜라의 온도가 낮을수록 같은 횟수로 흔들었을 때 더 조금 폭발한다는 것을 보여준다. 상온의 물(24℃)에 담가둔 콜라는 실험3(14℃)에서 25~35회 정도 흔들었을 때 흘러넘친 콜라의 양과 비슷하다. 따뜻한 물(45℃)에 담가둔 콜라가 흘러넘친 양은 62g 이상으로 실험3(14℃)에서의 결과로 비교할 수 없을 정도로 많다. 따라서 콜라의 온도가 높을수록 같은 횟수로 흔들었을 때 더 많이 폭발한다는 것을 알 수 있다.

나. 폭발 방지 방법의 효과 확인
[실험5] 폭발 방지 방법의 효과 비교

<음료의 윗부분을 두드리는 경우>

두드린 횟수
흘러넘친 양(g)
10
4.5
20
2.9
30
2.5
40
1.6

두드리는 횟수가 늘어날수록 탄산음료가 적게 흘러넘쳤다. 20회 흔든 콜라를 두드리니 실험3에서 5~10회 정도 흔들었을 때 흘러넘친 콜라의 양과 비슷하게 측정되었다. 흘러넘친 양이 3g이하로 측정됐을 때는 캔 위로 나오기는 하지만 넘쳐흐르지 않았다.

굴리는 횟수가 늘어날수록 탄산음료가 적게 흘러넘쳤다. 20회 흔든 콜라를 굴리니 실험3에서 5~15회 정도 흔들었을 때 흘러넘친 콜라의 양과 비슷하게 측정되었다. 흘러넘친 양이 3g이하로 측정됐을 때는 캔 위로 나오기는 하지만 넘쳐흐르지 않았다.

Excel 프로그램을 이용한 일원분산분석 결과, 네 가지 변인 모두 F 비가 F 기각치 보다 컸다. 따라서 네 가지 변인 모두 95%의 신뢰도로 탄산음료의 폭발력에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 이는 탄산음료가 폭발하는 원인과 관련이 있는 것으로 추측된다.

1. 결론
   가. 폭발력에 영향을 주는 요인 분석

[실험1]에서 코카콜라가 코카콜라제로보다 더 많이 흘러넘쳤고, 탄산수는 흘러넘치지 않았다. 코카콜라가 펩시콜라보다 더 많이 흘러넘쳤다. 그러나 코카콜라가 코카콜라제로에 비해서 폭발력이 컸다고 해서 콜라 속의 당분의 양이 폭발력에 영향을 주었다고 해석해서는 안 된다. 우리가 실험을 통해 알 수 있는 점은 같은 횟수로 흔들었을 때 코카콜라가 코카콜라제로보다 더 많이 폭발한다는 것이다.

[실험2]에서 페트병콜라가 가장 많이 흘러넘친 이유는 일단 양이 가장 많고, 다른 용기에 비해서 표면적이 넓기 때문이다. 콜라가 폭발하여 흘러넘치는 이유는 벽면에 붙어있는 기포가 거품을 만들며 올라오기 때문인데, 페트병 콜라의 경우 올라올 수 있는 표면적이 넓어서 다른 용기보다 더 많은 양의 콜라가 흘러넘치는 것으로 추측된다.

[실험3]에서 음료를 세워서 흔든 횟수가 늘어날수록 폭발력이 컸던 이유는 음료를 많이 흔들수록 음료 속에 녹아있던 기체들이 액체로부터 더 많이 빠져나와서 기포를 많이 형성하기 때문인 것으로 추측된다.

[실험4]에서 음료의 온도가 높을수록 폭발력이 컸던 이유는 음료의 온도가 높을수록 기체의 용해도가 낮아져 액체로 부터 기체들이 더 많이 빠져나오기 때문인 것으로 추측된다. 따라서 음료 윗부분에 더 많은 양의 기체가 모여서 많은 거품을 형성하여 개봉했을 때의 폭발력이 큰 것이다. 반대로 온도가 낮을수록 폭발력이 작았던 이유는 음료의 온도가 낮을수록 기체의 용해도가 증가하여 액체와 잘 분리되지 않기 때문이다.

나. 폭발 방지 방법의 효과 확인
검증해본 결과, ‘음료의 윗부분을 두드리는 경우’와 ‘음료를 눕혀서 왕복으로 굴리는 경우’ 모두 실제로 콜라가 폭발하는 정도를 줄여주는 효과가 있었고, 그 중 음료의 윗부분을 두드리는 방법이 조금 더 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
먼저 ‘음료의 윗부분을 두드리는 경우’에 폭발방지의 효과가 있었던 이유는 빨대를 탄산음료에 넣었을 때 기포가 달라붙는 것처럼, 탄산음료 용기 벽면에도 마찰력에 의해 기포들이 달라붙어 있다. 이때 빨대나 병을 치면 기포들이 떨어져 나와 탄산음료 표면으로 올라가 터지거나 그 자리에서 터진다. 이 때문에 탄산음료 내부의 기포 수가 줄어들어 뚜껑을 열어도 음료가 넘치지 않는다.
다음으로, ‘음료를 눕혀서 왕복으로 굴리는 경우’에 폭발방지의 효과가 있었던 이유는 눕혀서 탄산음료 용기를 굴리면 음료 속에 있던 기포들이 휩쓸려 표면으로 올라온다. 표면에 있는 기포들은 쉽게 터져버려 음료 속 기포가 줄어 뚜껑을 열어도 넘치지 않는다.