ペットボトルがへこむのはなぜ？温度と空気の関係
ペットボトルがへこむのは、ボトルの中の空気の圧力が、外の空気の圧力より小さくなるためです。キャップを閉めたまま冷やすと、中の空気が冷えて内側から押す力が弱まり、外の空気にボトルが押されてへこむことがあります。
反対に、へこんだボトルを暖かい場所へ移すと、空気が温まって元の形に近づくこともあります。これはペットボトルの周りにある空気の力と、温度による変化が関係する現象です。
ペットボトルを押している「気圧」とは？
私たちの周りには、目に見えない空気があります。その空気は、ものの表面をあらゆる方向から押しています。この力を「気圧」といい、周りの空気が押す圧力を「大気圧（たいきあつ）」と呼びます。
ペットボトルの外側も、空気に押されています。しかし、普通の状態ではボトルの中にも空気があり、内側から外へ押し返しています。内と外の力がほぼつり合っていれば、ボトルは大きくへこみません。
ところが、中から押し返す力が小さくなると、外の大気圧のほうが強くなります。すると、やわらかいペットボトルの側面が内側へ押され、へこんだ形になります。
キャップを閉めて冷やすと、なぜへこむ？
空気は温度によって状態が変わります。冷えると空気の動きが弱まり、同じ広さの容器の中では内側から壁を押す圧力が下がります。やわらかい密閉容器では、その圧力の差によって側面が押し込まれ、内部の空間も小さくなります。
例えば、常温でキャップをしっかり閉めたペットボトルを冷蔵庫に入れると、次のような変化が起こることがあります。
- ボトルの中の空気が冷えます。
- 空気が内側から押す圧力が下がります。
- 外の大気圧のほうが強くなり、側面が内側へへこみます。
サントリーは、冷蔵庫で冷やしたペットボトルの中の空気が小さくなり、常温へ戻したときに再び広がる現象を案内しています。特に、飲み物が少なく、ボトル内に空気の空間が多い大容量容器では変化が目立つ場合があります。
へこんだボトルを暖かい場所に置くとどうなる？
冷蔵庫から出したボトルを室温に戻すと、中の空気が温まり、内側から押す力が強くなります。そのため、へこんでいた部分が外側へ戻ることがあります。途中で「ペコッ」「バン」と音がする場合もあります。
この音は、ボトルの側面が押されて変形したり、元の形に戻ったりするときのものです。サントリーは、冷蔵庫から出したペットボトルを常温に置いたとき、大きな音が出る理由として、内部の空気の温度と体積の変化を挙げています。
キャップを開ければ外の空気が出入りできるため、内外の圧力差は小さくなります。弾力のあるボトルなら、そのとき元の形に近づくことがあります。ただし、強く折れ曲がったり材質が変形したりした場合は、完全には戻らないこともあります。
買ったばかりの飲料ボトルがへこんでいるのはなぜ？
飲料のペットボトルには、工場で熱い飲み物を詰めてからキャップを閉め、冷やす製造方法があります。これを「ホットパック充填」といいます。主にお茶などの非炭酸飲料で使われる方式の一つです。
熱い状態で密閉したあとに冷えると、中の気体や飲み物の体積が小さくなり、内側の圧力が下がります。そのためボトルの側面が内側へへこみ、容器の内容積が小さくなります。
東洋製罐とサントリーは、この変化によって飲み物の液面が開栓前には高く見え、キャップを開けて形が戻ると液面が下がる場合があると説明しています。ボトルがへこんで液面が高く見えても、それだけで内容量が多い・少ないとは判断できません。
なお、このような変化に対応できるよう、耐熱用のボトルは冷却後の圧力差も考えて設計されています。ボトルの種類によってへこみ方が違うのは、素材の厚さや形にも違いがあるためです。
熱いものを入れてへこんだ場合は、同じ理由？
熱い飲み物を入れたときの変形には、二つの原因があり得ます。一つは、密閉後に冷えて中の圧力が下がることです。もう一つは、ペットボトルそのものが熱で変形することです。
日本化学会は、お湯から出た水蒸気が冷えて水滴に戻ると、密閉容器の中にある気体が減り、内側の圧力が下がることを説明しています。この場合も、外の大気圧がボトルを押し込みます。
一方、PETボトルリサイクル推進協議会によると、耐熱性のないペットボトルに高温の飲み物を入れると、容器自体が縮んだり変形したりします。これは気圧差によるへこみとは別の原因です。家庭では通常の冷たい飲料用ペットボトルに熱湯を注いだり、容器ごと加熱したりしないでください。変形ややけどの危険があります。
山から下りたときにもへこむのはなぜ？
温度だけでなく、場所による気圧の違いでもペットボトルはへこみます。山の高い場所は、平地より大気圧が低くなります。その場所でキャップを閉め、標高の低い場所へ下りると、周りの大気圧が高くなるため、外側からボトルが押し込まれることがあります。
岩手県立図書館が回答した調べものの事例でも、山で飲み物を飲んでから下山したときにボトルがへこむ理由を、標高による気圧の差で説明しています。温度が変わった場合も、標高が変わった場合も、共通するのは内外の圧力の差です。
へこみやすいボトルと、へこみにくいボトルの違い
ペットボトルには、飲み物の種類や製造方法に合った形があります。薄くやわらかい容器は、内外の圧力差が生じると側面が動きやすくなります。いっぽう、炭酸飲料のボトルは、中から押す圧力に耐えるよう設計されており、通常の飲料ボトルとは形や丈夫さが違います。
PETボトルリサイクル推進協議会は、飲料用ボトルを「耐熱用」「無菌充填用」「耐圧用」などに分けて紹介しています。見た目が似ていても、用途に合わせて性能が違うので、飲み終わったボトルを別の用途で使うときも、その容器が想定していない高温や圧力をかけないことが大切です。