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别莱利曼:《趣味物理学》 第六章 热现象(2)

2017/9/25 20:06:40 来自微信读书
 

从茶杯到玻璃管液位计
    有经验的主妇在往杯子里面倒茶水的时候,为防止杯子炸裂,通常会在杯子中放一只小勺,最好是银制的小勺。这种非常正确的方法来自生活中的经验,但这种方法的理论依据是什么呢?
    回答这个问题之前,我们还需要弄清楚:为什么在倒开水的时候,杯子会炸裂?
    原因很简单——玻璃的膨胀不均匀。开水倒进玻璃杯以后,并不是立刻把整个杯子都烫热:先热的是玻璃杯的内壁,而这时候玻璃杯的外壁还没有热。玻璃杯的内壁受热,已经开始膨胀,而外壁却没有变化,因此就会承受来自内壁的强烈挤压,于是外壁就被挤破,玻璃杯也就炸开了。
    您可不要以为:买壁厚的杯子,不就不会再遇到这样的“惊喜”了。如果这样做,您就大错特错了,因为从这个意义上来说,厚杯子更不结实:厚杯子要比薄杯子更容易被烫炸。原因很明显:玻璃杯壁越薄就越快热透,就越快达到内外壁的温度均衡,膨胀也就一样了——与此相反,厚玻璃杯的杯壁要更久才能热透。
    在挑选薄的玻璃器皿的时候,千万不要忘记一点:不仅杯壁要薄的,杯底也要薄。因为在倒入开水的时候,主要热的是杯底,如果杯底较厚,不管杯壁有多薄,整个杯子还是会炸裂。那些有着厚厚的圆底足的玻璃杯和瓷杯,也是很容易烫炸的。
玻璃器皿越薄,就越可以放心大胆地加热。化学家使用的就是这种非常薄的玻璃器皿,就算是直接在酒精灯上加热,水在容器中沸腾,也不用担心容器会出现问题。
    当然,最理想的器皿,应该是在加热时完全不膨胀的器皿。石英的受热膨胀系数就非常小,比玻璃小15~20倍。用透明石英制成的厚壁器皿,无论怎么加热都不会破裂。甚至可以把烧红的石英器皿丢到冰水里,也不必为它的完好性担心(在实验室中,经常使用石英器皿还有一点原因,那就是石英的熔点非常高,只有在温度超过1700℃的时候,石英才开始变软)。这在某种程度上也是因为石英的导热系数比玻璃大得多。
    玻璃杯不仅在快速加热的时候会破裂,就是在快速冷却的时候,也会这样。此时,玻璃杯破碎原因是不均匀的冷缩:杯子的外层遇冷收缩,强烈地压向还没来得及冷却并收缩的内层。因此,举个例子,不能把装着热果酱的玻璃罐放到寒冷的室外或者直接浸到冷水里,等等。
    现在,我们回到放在玻璃杯中的小勺上来。小勺对杯子的保护作用的理论依据是什么呢?
只有在把沸水一下子倒进杯子的时候,玻璃杯内外壁的加热程度才会有很大差别;而热水就不会导致玻璃杯的内外壁的加热程度差别很大,因此玻璃各部分的膨胀也不会有很大差别,也就是说,热水是不会使容器炸裂的。假如把一只小勺放在杯子里,会发生什么呢?在滚烫的液体被倒进杯底的时候,在烫热玻璃(玻璃的导热性较差)之前,会先把一部分的热量传导给热的良导体——金属,这样,液体的温度降低了,从开水变成了热水,就没有什么害处了。再继续向杯子里倒开水,对杯子来说也不那么危险了,因为杯子已经稍稍烫热了。
    总而言之,杯子里的金属匙(尤其是这把金属匙很大),会缓和杯子受热的不平均,从而防止了杯子的碎裂。
    那为什么说,如果小匙是银制的效果就会更好一些呢?因为银是热的良导体;银匙要比铜匙的散热更快。回忆一下,放在热茶杯里的银匙是多么烫手!根据这一点,你甚至可以准确无误地确定制作茶匙的材料:铜匙是不会很快烫手的。
    玻璃壁的不均匀膨胀,不仅威胁茶杯的完整性,并且还威胁到蒸汽锅炉的重要部分——用来确定锅炉水位的玻璃管液位计。玻璃管液位计的内壁在被蒸汽和沸水加热的时候,要比外壁膨胀得厉害。除了这种原因导致的张力之外,玻璃管液位计还要受到蒸汽和水的巨大压力,因此很容易破裂。为了防止破裂,有时候会使用双层玻璃来制作玻璃管液位计,两层玻璃的品质不同,里面一层的膨胀系数比外面一层要小。

                                                                                                                                                                                                        (雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼)
 
 乐狍子-乐出鼻涕泡