大家是否有這樣的發現,在以前將開水倒進玻璃杯,有時會發生玻璃杯突然爆裂的情形,而現在卻很少出現這樣的問題。記得筆者小時候,過年時期天氣比較寒冷,去長輩家拜年,長輩們往往都會倒幾杯開水先讓我們暖和暖和,殊料有時剛倒進去熱水的玻璃杯就炸裂了,著實讓當時的我百思不得其解。
其實現在也會發生這樣的問題,只是機率要小很多,前幾天從網上買來的茶壺,沒用幾次也發生了爆裂,究其原因,我想大家都知道這是熱脹冷縮所引起的。世間所有的物體,從微觀上來看都是由微小的微觀粒子(分子或者原子)所組成,這些微觀粒子時刻都在進行著無規則地運動,只不過固體和液體分子間的排列比較緊密,相互的間距較小,分子間的作用力比較大,無規則運動的程度沒有氣體分子明顯而已。
當對物體進行加熱時,所輸入的熱能,一部分會轉化為微觀粒子的內能,繼而又轉化為分子或者原子的動能,絕大多數情況下,這些分子或者原子的運動速度增加,微觀粒子間的間距增大,體積就會膨脹,於是出現受熱膨脹現象。當周圍環境溫度變低時,情況正好相反,物體的體積減小,出現遇冷收縮現象。
玻璃的主要成分為二氧化矽,不同使用用途的玻璃,其組分差異較大,但主體成分還是二氧化矽,比如普通玻璃的組成為二氧化矽、氧化鈣、碳酸鈉等,石英玻璃基本上是由純二氧化矽組成,光學玻璃的主要組成為二氧化矽、氯化銀、溴化銀、氧化銅等。不過,無論什麼用途的玻璃,它都是熱的不良導體,在溫度急劇變化或者內外壁溫度差異很大時,極易發生碎裂。
拿玻璃杯來說,一般厚度都有幾個毫米,當把熱水倒進杯中時,內壁的溫度會迅速上升,在內壁受熱溫度上升的瞬間,外壁還基本上處於室溫的狀態,那麼,在玻璃的內外壁之間,就會存在差不多70-80度的溫度差。剛才提到了,在熱脹冷縮作用的影響下,玻璃的內壁會發生一定程度的體積膨脹,對處於玻璃杯中部的分子來說有一個明顯的拉力作用。而外壁和內壁相比,溫度明顯偏低,則對於玻璃杯中部的分子有一個明顯的壓力作用。
玻璃的抗拉能力要遠比抗壓能力弱,所以,在熱脹冷縮效應的影響下,室溫越低、開水溫度越高、玻璃杯越厚、組成玻璃的物質分布越不均勻,則玻璃爆裂的機率就會越大。我們倒進開水,玻璃杯發生爆裂,很大程度的原因,就是倒進的一瞬間,內外壁溫度差所引發的拉應力(合力),超過了該種玻璃所承受的極限所致。
現在我們之所以看到玻璃杯倒進開水,爆裂現象很少發生的原因,就在於玻璃製造工藝的不斷提升,一方面在生產過程中,玻璃內部的各項組成物質的分布更為均勻;另一方面,生產日用品的玻璃厚度明顯降低,使得熱量在內外壁之間的傳遞時間明顯減小,玻璃內部所受的拉應力也相應降低。
當然,還有一個因素,就是現在生活條件比以前要好很多,特別是冬季屋裡要麼有供暖、要麼有空調、要麼有燃氣爐,室溫與熱水之間的溫度差值變得小了很多,熱脹效應沒有以前那麼大了。
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