来客の直前になって、冷蔵庫に入れ忘れた缶ビールの箱に気づく。年末年始の集まりでは、わりとよく起きる場面だ。とりあえず冷凍庫に放り込みたくなるが、急ぐならそれは遠回りになる。いちばん速いのは、バケツか鍋に氷と水を張り、そこに塩を溶かして缶を沈める方法だ。この記事では、なぜ塩を入れた氷水が冷凍庫より速いのかを、熱の伝わり方と温度の2つに分けて数字で説明し、塩の量、冷えるまでの時間、そして入れっぱなしにしたときに缶の中身が凍り始める時刻まで整理する。
先に結論、350ml缶が5℃になるまでの目安
最初に結論を表にしておく。条件は、室温25℃の350ml缶を、飲みごろの5℃まで冷やす場合だ。時間は後半で説明する簡単な計算による推定値で、缶の置き方やかき混ぜ方で前後する。
| 冷やし方 | 周りの温度 | 5℃までの推定時間 | 中身が凍り始めるまでの推定時間 |
|---|---|---|---|
| 冷凍庫(空気) | -18℃ | 約45〜50分 | 約75分 |
| 氷水 | 0℃ | 約6分 | 凍らない |
| 塩を入れた氷水 | -5℃前後 | 約4分 | 約9分 |
| 塩を入れた氷水で缶を回す | -5℃前後 | 約2〜3分 | 約5分 |
この表から読み取れることは3つある。1つ目は、冷凍庫は周りの温度がいちばん低いのに、いちばん遅いということ。2つ目は、塩を入れなくても、氷水にするだけで冷凍庫より大幅に速くなるということ。3つ目は、塩を入れた氷水は速いぶん、入れっぱなしにすると10分ほどでビールが凍り始めるということだ。以下で、それぞれの理由を順に見ていく。
冷凍庫が遅いのは、空気が熱を運ばないから
缶が冷えるというのは、缶の中身が持っている熱が、缶の外側に移っていくということだ。この熱の移り方は、缶の周りが何でできているかで大きく変わる。冷凍庫の中で缶を取り囲んでいるのは空気で、氷水の中では水になる。
熱の伝えやすさを表す数字に、熱伝導率(ねつでんどうりつ)がある。空気は約0.026W/m·K、水は約0.6W/m·Kで、水は空気のおよそ23倍も熱を通しやすい。さらに、物の表面から周りへ熱が移る速さを表す熱伝達率(ねつでんたつりつ)で比べると、差はもっと開く。教科書的な目安では、空気がゆるく流れるだけのときは1平方メートルあたり5〜25W/K程度、水では50〜1,000W/K程度とされている。この記事の計算では、冷凍庫の空気を10、静かな氷水を200と置いた。ざっと20倍の差だ。
冷凍庫の温度は-18℃前後なので、缶との温度差は最初43℃もある。氷水は0℃なので、温度差は25℃しかない。温度差だけ見れば冷凍庫が有利に見えるが、熱が移る速さは「熱伝達率×表面積×温度差」で決まる。温度差が2倍近くあっても、熱伝達率が20分の1では勝負にならない。冷凍庫が冷たいのに遅いのは、缶の周りの空気が熱をほとんど運んでくれないからだ。
もう1つ、冷凍庫には扉を開けるたびに冷気が逃げるという弱点もある。様子を見ようと何度も開け閉めすると、そのたびに庫内の温度が上がり、さらに時間がかかる。
塩を入れると、氷水が0℃より冷たくなる
氷水だけでも十分速いのに、なぜ塩を入れるのか。理由は、氷水の温度そのものを0℃より下げられるからだ。
真水は0℃で凍り、氷は0℃で溶ける。ところが水に塩が溶けていると、凍る温度が0℃より下がる。これを凝固点降下(ぎょうこてんこうか)と呼ぶ。氷と塩水が接していると、氷は塩水の凍る温度まで冷えないと形を保てないので、自分を溶かしながら周りの熱を奪い、氷水全体の温度を下げていく。氷が溶けるときに吸う熱は1gあたり約334Jで、この熱を缶の中身から受け取るわけだ。
塩水の濃さと、凍り始める温度の関係は次のとおりだ。濃さは、塩と水を合わせた重さに対する塩の割合で表している。
| 塩の濃さ(重さの割合) | 凍り始める温度 |
|---|---|
| 5% | 約-3.0℃ |
| 10% | 約-6.6℃ |
| 15% | 約-10.9℃ |
| 20% | 約-16.5℃ |
| 23.3% | 約-21.1℃(これ以上は下がらない) |
理屈の上では、塩水は-21℃あたりまで下げられる。ただ、冷たい水には塩が溶けにくく、氷が溶けるたびに塩水が薄まっていくので、家庭のバケツでそこまで下げるのは難しい。実用上は-3〜-7℃くらいを狙うのが現実的で、それでも0℃の氷水と比べると缶との温度差は2割から3割ほど広がる。その分だけ、冷える時間が短くなる。
冷える時間の計算、なぜ数分で済むのか
ここで、冒頭の表の数字がどう出てきたのかを説明しておく。厳密な計算ではなく、目安をつかむための簡単なものだ。
350mlの缶を25℃から5℃まで冷やすには、中身からどれだけの熱を抜けばよいか。ビールやジュースはほとんど水なので、水の比熱(1gを1℃上げ下げする熱の量)である約4.18Jを使うと、350g×4.18J×20℃で約29,000J、つまり約29kJになる。アルミ缶そのものの分は数百J程度なので、ここでは無視してよい。
次に、缶の表面積を見積もる。一般的な350ml缶は直径およそ6.6cm、高さおよそ12.2cmなので、側面と上下を合わせて約0.032平方メートルになる。中身の熱を表面からどれだけの速さで逃がせるかは、先ほどの熱伝達率と表面積の掛け算で決まる。缶が冷えるにつれて周りとの温度差は小さくなっていくので、冷え方は最初が速く、だんだんゆっくりになる。この性質を考えると、冷えるまでの時間は次の値で決まる。
- 冷凍庫(熱伝達率10): 缶の温度変化の「時定数(じていすう)」は約76分。-18℃の空気の中で25℃から5℃まで下がるのに約48分
- 氷水(熱伝達率200): 時定数は約3.8分。0℃の水の中で5℃まで下がるのに約6分
- 塩を入れた氷水(-5℃): 同じ時定数で、5℃まで約4分
時定数とは、周りとの温度差が約37%まで縮むのにかかる時間のことだ。氷水の時定数が冷凍庫の20分の1になっているのは、熱伝達率の差がそのまま出ているからだ。
計算の結果は、氷と塩で2〜5分、冷凍庫で30〜45分という、よく紹介される目安とおおむね一致する。氷水だけのときの約6分は、条件によっては10分ほどかかることもある。氷が水に浮いて缶の上のほうにしか触れていなかったり、水の量が少なかったりすると、熱伝達率が下がるからだ。
缶を回すと、中の液体も冷えに参加する
缶を氷水に沈めたあと、手で缶をくるくる回すと、さらに速く冷える。理由は2つある。1つは、缶の表面に接している水が入れ替わり、缶の周りにできる温まった水の層がすぐ流されること。もう1つは、缶の中の液体がかき混ぜられ、缶の壁に近い冷えた部分と中心のぬるい部分が混ざることだ。
缶の中身が静かなままだと、壁際だけが先に冷え、中心は取り残される。回せば、その偏りがなくなる。冒頭の表で「回す」の行を約2〜3分としたのは、熱伝達率が倍程度に上がると仮定した場合の推定だ。回し方は、缶を寝かせて手のひらで転がす程度で十分で、激しく振る必要はない。炭酸飲料は強く振ると開けたときに泡があふれるので、ゆっくり転がすのがよい。
実践、塩入り氷水の作り方
ここまでの理屈をふまえて、家庭で再現できる手順をまとめる。缶6本を想定した分量だ。
- 容器を用意する: バケツ、アイスペール、大きめの鍋、クーラーボックスなど、缶が横に寝かせて全部沈む大きさのもの。
- 水を先に入れる: 水を約2L入れる。氷だけを詰めると缶との間に隙間ができ、空気で冷やすのと同じことになる。
- 塩を溶かす: 塩を約200g、水1Lあたり100gを目安に入れ、よくかき混ぜる。食卓塩なら大さじ1杯が約18gなので、大さじ11杯ほどになる。これで塩水の濃さは約9%になり、凍り始める温度は-5〜-6℃あたりになる。粗塩でも食卓塩でも効くが、粒の細かいほうが早く溶ける。
- 氷を入れる: 氷を約1.5〜2kg入れる。量の考え方は次の節で説明する。
- 缶を沈める: 缶を寝かせて、全体が氷水に浸かるように沈める。上のほうが水から出ていると、その部分が冷えにくい。
- ときどき回す: 1分に1回くらい、缶を手で転がす。
- 3〜5分で引き上げる: 1本取り出して、缶の底を手のひらで触って冷たさを確かめる。
1本だけ急いで冷やしたいなら、ボウルに氷と水を半分ずつ入れ、塩を大さじ2杯ほど溶かして、缶を転がしながら2〜3分待てば足りる。
氷はどれだけ必要か、溶ける量から逆算する
氷の量にも目安がある。先ほど、350ml缶1本を25℃から5℃にするには約29kJの熱を抜く必要があると計算した。氷は1g溶けるごとに約334Jを吸うので、29,000J÷334Jで、缶1本あたり約90gの氷が溶ける計算になる。
6本なら約520gだ。ただし、これは缶から熱を抜く分だけで、最初に入れた水を冷やす分、容器の外から入ってくる熱の分も必要になる。25℃の水2Lを0℃まで下げるだけで、氷が約630g溶ける。さらに塩を溶かすことでも少し熱が奪われ、氷は溶けていく。合計すると、6本を冷やすには最低でも1.2kg、余裕を見て1.5〜2kgの氷を用意したい。水道水がすでに冷たい冬なら、もう少し少なくても間に合う。
途中で氷が溶けきって水面に浮く氷がなくなったら、その時点で温度が上がり始める合図だ。氷を足し、必要なら塩も少し足す。
入れっぱなしは凍る、引き上げ時刻の目安
塩を入れた氷水は0℃より冷たいので、放っておくと缶の中身がその温度に近づいていく。アルコール度数5%前後のビールは約-2℃、ジュースや炭酸水は約-1℃で凍り始める。
先ほどの計算を延ばすと、-5℃の塩入り氷水に沈めた350ml缶は、約9分でビールが凍り始める温度に届く。缶を回していれば、それより早い。中身が凍ると体積が増え、炭酸ガスの圧力も加わって、缶が膨らんだり、底が変形したりすることがある。最悪の場合は破裂する。開けた瞬間に中身が一気にシャーベット状になって吹き出すこともある。
冷凍庫でも同じことが起きる。計算では約75分で凍り始める温度に届き、1時間半ほどで中身が凍りきる。冷凍庫に入れるなら、30分のタイマーをかけておくのが安全だ。塩入り氷水の場合は、5分で一度引き上げ、遅くとも10分以内に全部取り出すと決めておくとよい。冷えた缶をしばらく置いておきたいなら、塩の入っていない普通の氷水に移せば、0℃より下がらないので凍る心配がない。
濡らしたキッチンペーパーを缶に巻いて冷凍庫に入れる方法もよく知られている。表面の水分が凍るときや蒸発するときに熱を奪うという理屈だが、効果があったという話と、あまり変わらなかったという話の両方があり、条件で結果が分かれる。少なくとも、塩入り氷水ほどの差は出ない。
まとめ、急ぐなら水と塩と回転
急いで缶を冷やすときに効く順番をまとめておく。
- 空気より水: 熱の伝わりやすさが約20倍違う。冷凍庫に入れるより、氷水に沈めるほうが速い。
- 水に塩: 塩を水1Lあたり100g溶かすと、氷水が-5〜-6℃まで下がり、冷える時間がさらに短くなる。
- 缶を回す: 缶の周りの温まった水と、缶の中のぬるい部分が入れ替わり、2〜3分まで縮む。
- 引き上げ時刻を決める: 塩入り氷水は5分で確認、10分以内に取り出す。冷凍庫なら30分のタイマー。
道具として持っておくと便利なのは、缶が6本ほど寝かせて入るアイスペールかバケツ、それに塩を量る大さじだけだ。来客が多い時期は、製氷皿の氷だけでは足りないので、コンビニのロックアイス(1袋1kg前後)を2袋買っておくと安心できる。氷水の温度を確かめたいなら、料理用のデジタル温度計を差し込めば、塩の量と温度の関係が自分の手元で確かめられる。
飲みごろの温度は、すっきりしたラガービールで3〜7℃、コーラなどの炭酸飲料で3〜5℃くらいが目安だ。塩入り氷水で4分前後冷やせば、ちょうどその範囲に入る。冷やしすぎると香りや甘みを感じにくくなるので、冷えたらすぐ取り出すことも、おいしく飲むための手順の一部になる。