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第24章 为什么热水会使玻璃杯破裂

要将热水倒进玻璃杯中时,熟练的主妇就会先在杯中放一个汤匙。汤匙若为银制则更佳。这虽然是日常生活中的普通常识,但这种方法究竟根据什么原理呢?

我不妨先说明,为什么热水会使玻璃杯破裂。

原因是玻璃的膨胀不均匀,所以会破裂。因为当热水进入杯子时,杯子的侧壁无法一下子全被加热。首先,侧壁内侧会被加热,但外侧仍停留在冷却的状态。因此,内侧部分迅速膨胀,而外侧部分却维持原状。所以外侧会受到内侧的强压,将玻璃杯震破。

某些人以为较厚的杯子就不容易破裂,其实这是错误的观念。因为,倒进热水时,厚杯子更容易破,薄杯子反而较难破裂。原因是薄杯子的外侧可以立刻被加热,而促使内外温度相等,膨胀也会因而均匀。但是,厚杯子的外侧不可能立即被加热,所以内外的温差就大了。

然而,薄杯子仅仅侧壁薄还不够,杯底也必须要薄。因为,在倒进热水时,首先被加热的是杯底。如果杯底很厚,即使侧壁很薄也没用,杯子依旧会破。此外杯底附带着厚的玻璃杯,也比较容易破裂。

玻璃容器愈薄,承受热水就愈不易破裂。例如非常薄的烧杯,在杯中放水,直接用瓦斯炉来加热,也不会破裂。

如果加热时能完全不膨胀,才是最理想的容器。目前,热膨胀率最小的是石英,其膨胀只是玻璃的1/5,甚至1/20罢了。因此,透明的石英制容器,无论你如何加热,它都不会破裂。就是把加热成赤色的石英制容器,立刻丢入冰水中,它也不会破裂。而石英的热传导力比玻璃大很多,这也是一项主要原因。

现在,热膨胀率小而能承受温度积极变化之无水硼酸和二氧化矽合成的硼酸矽玻璃,或者石英玻璃制成的耐热容器、杯子和锅子,都已经为人类所使用。

玻璃杯不但在突然加热时不耐用,就是在突然冷却时,也很容易破裂,理由为收缩不均匀。换言之,在冷却时,外侧已开始收缩,内侧却尚未收缩。因此,外侧压迫内侧,而导致破裂。所以,在把热果酱放入瓶中后,务必要避免将瓶子放进水中冷却。

说明到这里,我再来分析杯中放进汤匙的作用。

在加热时,杯子内侧和外侧的差异很大,这种情形发生在一下子就把热开水注入杯中。如果注入的是冷水,就不会产生太大的差异,也就是说,杯子各部分的膨胀没多大差异,杯子就不可能破裂。而在杯中放进汤匙,究竟有什么作用呢?

因为在热水倒入热传导率低的玻璃杯时,汤匙会吸收一部分热,假如汤匙为金属制成,则是热的良好导体。它能使热水的温度降低,使热水变成温水,在这种情况下,杯子当然不会破裂。接着,我们继续倒入开水,就不会有太大的危险,因为玻璃杯的温度只会升高一点点而已。

简言之,将汤匙(尤其是大汤匙)放进杯中时,杯子就会均匀地被加热,这样一来,就能避免玻璃杯破裂。

银匙为什么更好呢?因为银匙是热的良好导体,银匙吸收热水中的热量,比黄铜匙快多了。如果把银匙放进装热水的杯中,手指却忘记放开,则手指恐怕会被烫伤。由此可知,银的热传导很快,相信大家都有过类似的经验。也可由汤匙烫手的程度,来判断汤匙的材料是什么。几乎烫伤手指的是银匙,否则便是黄铜汤匙。

由于玻璃杯侧壁的膨胀不均匀,才导致玻璃杯破裂。然而这种状况未必仅仅发生在玻璃杯,测定锅炉水位的水位计,也会发生相同的情形。水位计是一种玻璃管,它的内侧比外侧更容易受水蒸气或热水加热所影响而膨胀。由于管内的蒸气和热水的压力大,玻璃管很快就被破坏。应该如何防止呢?

一般水位计的内侧和外侧,是用不同的玻璃制造而成,就内侧玻璃的质地而言,它的热膨胀率比外侧的玻璃小。

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