中学物理热学知识一般告诉我们,物体在大多数情况下会“热膨胀冷收缩”。
(0℃到4℃的水会发生反常膨胀,锑、铋、液态铁等,在某种条件下也会发生“热缩冷胀”)相信不少人都曾遇到过这种情况,向玻璃杯中导入滚烫的液体时,玻璃杯突然炸裂了。这种突发状况往往让我们误以为玻璃杯子太薄了,应该选择厚的就不会发生这种意外了。
但是,真的是选择厚的玻璃器皿才安全么?
我们可以先从中学物理的角度解释一下到底是什么原因导致玻璃杯炸裂的。
物理事实是:
当我们把热水倒进玻璃杯中时,并不是整个杯壁一下子全都接触到热水,而是从内到外依次变热的。当把滚烫的热水导入玻璃杯中时,玻璃杯的内壁先受热膨胀,但是由于热传递需要时间,在极短时间内,外壁并没有感受到热水的温度,所以外壁没有及时发生膨胀,也就是说内外膨胀存在一个时间差,这个时间差就导致了外壁会承担内壁膨胀所带来的巨大压力,(外壁此时相当于一个管道,管道内的物体在向外膨胀)当此压力达到一定程度时,外壁无法承受此压力,玻璃杯就发生了爆炸现象。
所以说,玻璃杯遇热发生炸裂的真正物理原因是“热胀”不均匀所致!
如果我们仔细观察过炸裂的杯子,就可以发现一个规律,容易炸裂的不单单有杯壁厚的玻璃杯,还有那种带有一圈较厚底部的玻璃杯。
因此,很显然,为了避免这种情况,我们应该选择杯底和杯壁都很薄的杯子。因为,玻璃杯越薄,内壁和外壁的热传递时间越短,内外壁的压力差也就越小,几乎可以同时膨胀,所以不会因为受热不均匀而发生炸裂。玻璃杯越厚,传热时间越长,内外壁压力差越大,就会因为受热不均匀而炸裂!
那么,如果家里面已经购买了厚的玻璃器皿该怎么办呢?扔掉?太可惜啦。在不得不往这种厚杯中倒热水的时候,我们可以采用一个好方法避免炸裂情况出现。
这种方法就是在倒热水之前在杯子里面放上一把金属茶勺,如果能使用银质的茶勺是最好不过了。这样就能尽量避免玻璃杯炸裂发生。
这其实是利用了中学物理中的金属导热性能非常好的知识。
我们都有这种经验,把竹筷子和金属茶勺都放在热水中时,拿起筷子后并不烫手,但是金属茶勺却烫手,也就是说金属茶勺的导热性能非常好。其导热性能远远超过玻璃的导热性能,从而延缓了杯子内外壁温差过大、受热不均匀现象。也就是说,滚烫的热水在把玻璃加热之前,会先把一部分热量传递给金属茶勺!从而使得水温变低,此后即使继续倒热水也不会有危险,因为杯子内外壁已经变得温度一致了。
刚才之所以说银质茶勺更好,是因为,在所有的金属当中,银质物品的导热性能更好,吸热速度更快。当然,倒入热水后,银质茶勺也最烫手。
说到受热导致杯子炸裂的问题,我们自然想到了,遇冷肯定也能导致杯子炸裂。尤其是把刚倒入热水后的杯子再放到冷水中或者冰箱中时,由于内壁膨胀、外壁收缩,产生的巨大压力差会导致玻璃杯更易炸裂!
这下,中学生朋友们应该明白化学玻璃器皿总是用很薄的玻璃制作原因了,化学实验室中的玻璃管、烧杯即使直接放到酒精灯上面加热也不会破裂。
实际上,“石英器皿”是最不易遇热膨胀的,其膨胀系数只有玻璃的十五分之一到二十分之一而已。所以,厚的石英器皿不存在以上厚的玻璃器皿受热不均情况,它是最理想的餐具。缺点是太贵了。
中学生朋友们,物理有趣且有用,养成善于观察、勤思好问的习惯吧,为了美好的未来,加油!