Όταν το γυαλί παγώνει, συχνά σπάει. Γιατί;

Το γυαλί είναι μονωτήρας, επομένως, όταν το γυαλί υφίσταται γρήγορες αλλαγές θερμοκρασίας, η μία πλευρά του συρρικνώνεται πιο γρήγορα από την άλλη, οδηγώντας το σε ρωγμές.

Πριν λίγες μέρες, έβαλα ένα γυάλινο μπουκάλι νερό στην κατάψυξη για να κρυώσει γρήγορα το νερό. Όπως ήταν αναμενόμενο, ξέχασα αμέσως ότι το έκανα. Όταν άνοιξα την κατάψυξη την επόμενη μέρα, ανακάλυψα ότι το νερό είχε μετατραπεί σε πάγο (αναμενόμενο αποτέλεσμα) και το μπουκάλι και είχε σπάσει (απροσδόκητο αποτέλεσμα)! Έτσι, το ερώτημα της ημέρας μου… γιατί έσπασε το ποτήρι;

Για να απαντήσουμε σε αυτό, πρέπει να κατανοήσουμε τη θερμική ισορροπία και το γυαλί ως αγωγό της θερμότητας. Λοιπόν… ας βουτήξουμε!

Θερμική ισορροπία

Η θερμική ενέργεια είναι η ενέργεια που συνδέεται με τη θερμοκρασία ενός αντικειμένου ή συστήματος. Όταν μιλάμε για θερμότητα, αναφερόμαστε στη μεταφορά θερμικής ενέργειας από το ένα αντικείμενο στο άλλο. Η θερμότητα μεταφέρεται είτε μέσω αγωγιμότητας, μεταφοράς ή ακτινοβολίας. Σε γενικές γραμμές, οι νόμοι που σχετίζονται με την ανταλλαγή (και την αλλαγή από τη μια μορφή στην άλλη) της θερμικής ενέργειας ονομάζονται Νόμοι της Θερμοδυναμικής. Αυτοί οι νόμοι διέπουν την κατανόησή μας για τις αλλαγές στη θερμοκρασία σε οποιοδήποτε σύστημα.

Ο Μηδενικός Νόμος της Θερμοδυναμικής (Φωτογραφία:Fouad A. Saad/Shutterstock)

Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής

Υπό το φως της ερώτησής μας, ο νόμος που είναι πιο σχετικός είναι ο Μηδενικός Νόμος της Θερμοδυναμικής. Ο νόμος αυτός ουσιαστικά ορίζει ότι «όταν δύο σώματα έχουν ίση θερμοκρασίας με ένα τρίτο σώμα, τότε έχουν ίση θερμοκρασίας». Αυτό σημαίνει ότι όταν τα συστήματα σε διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή, θα φτάσουν σε ένα σημείο θερμικής ισορροπίας με την πάροδο του χρόνου. Αυτός ο νόμος είναι που αποτελεί τη βάση για τα θερμόμετρα! Για να το κατανοήσουμε καλύτερα, ας ορίσουμε και ας κατανοήσουμε καλύτερα τι είναι η θερμική ισορροπία.

Δύο αντικείμενα φτάνουν σε θερμική ισορροπία (Πιστωτική φωτογραφία :OSweetNature/Shutterstock)

Με τον απλούστερο όρο, όταν δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία, είναι σε επαφή μεταξύ τους και σε ίσες θερμοκρασίες. Επομένως, εάν ένα από τα σώματα είναι θερμότερο από το άλλο, θα χάσει θερμότητα από το ψυχρότερο σώμα έως ότου τα δύο είναι σε ίση θερμοκρασία.

Πώς αλλάζει το γυαλί λόγω αλλαγών στη θερμοκρασία;

Τα στερεά έχουν τρία είδη δομών. κρυσταλλική, πολυκρυσταλλική ή άμορφη. Ένα άμορφο στερεό είναι ένα υλικό που δεν έχει ομοιόμορφη σειρά στη δομή του. Ένα κρυσταλλικό στερεό είναι τέλεια ταξινομημένο.

Ενώ ένα πολυκρυσταλλικό στερεό είναι εκείνα που έχουν πολλά διαφορετικά κρυσταλλικά υλικά, σε διαφορετικούς προσανατολισμούς, που περιλαμβάνονται στο ίδιο στερεό. Το γυαλί είναι ένα κεραμικό υλικό και βρίσκεται σε πολλές διαφορετικές συνθέσεις διαφορετικών άμορφων στερεών. Το γυαλί είναι συχνά κατασκευασμένο σε μεγάλο βαθμό από πυρίτιο. Το πυρίτιο υπάρχει σε δύο είδη καταστάσεων, κρυσταλλική και άμορφη.

Το είδος του πυριτίου που χρησιμοποιείται στην υαλουργία είναι το άμορφο ή μη κρυσταλλικό είδος. Το πιο κοινό είδος γυαλιού είναι το οπτικά διαφανές κεραμικό κατασκευασμένο από άμορφο πυρίτιο ή διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και προστιθέμενο περίπου 30% (πηγή) οξειδίου του νατρίου (NaO), ασβέστη (CaO) και μαγνησίας (MgO). Καθώς ένα αντικείμενο τροφοδοτείται με θερμότητα, θα διαστέλλεται σε όγκο, ενώ θα συρρικνώνεται όταν χάνει θερμότητα. Το γυαλί επίσης αντιδρά με αυτόν τον τρόπο όταν υφίσταται αλλαγές στη θερμοκρασία.

Μια αναπαράσταση των τριών συμπαγών δομών (Photo Credit :Nasky/Shutterstock)

Η θερμότητα, όπως και ο ηλεκτρισμός, έχει καλούς και κακούς αγωγούς. Το γυαλί είναι πολύ κακός αγωγός της θερμότητας. Αυτή η ιδιότητα οφείλεται στην άμορφη δομή του. Τα διαταραγμένα άτομα του κεραμικού δεν μπορούν να μεταφέρουν αξιόπιστα τη θερμική ενέργεια. Λόγω των μονωτικών ιδιοτήτων του, ένα πιο χοντρό κομμάτι (όπως αυτό ενός μπουκαλιού) αρκεί για να προκαλέσει διαφορά μεγέθους εάν οι θερμοκρασίες είναι διαφορετικές σε κάθε πλευρά. Λόγω του ότι το γυαλί είναι κακός αγωγός της θερμότητας, οι δύο πλευρές θα χρειαστούν περισσότερο χρόνο για να φτάσουν σε μια κατάσταση θερμικής ισορροπίας.

Γιατί σπάει το τζάμι;

Ένα σπασμένο γυάλινο μπουκάλι (Φωτογραφία:Tim Pieloth/Shutterstock)

Τα γυάλινα αντικείμενα, λόγω αυτών των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων, είναι ευαίσθητα στο σπάσιμο όταν εκτίθενται σε ταχέως μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες. Η θερμότητα πρέπει να ανταλλάσσεται μέσω ενός μέσου.

Στην ερώτησή μας, τα δύο αντικείμενα είναι ο ψυχρός αέρας και το ίδιο το ποτήρι. Ο ψυχρός αέρας λειτουργεί ως το μέσο μέσω του οποίου χάνεται η θερμότητα. Ο παγωμένος αέρας έρχεται πρώτα σε επαφή με τη μία πλευρά του γυαλιού και αυτή η πλευρά του γυαλιού χάνει γρήγορα θερμότητα, με αποτέλεσμα να συρρικνώνεται. Η αντίθεση στη θερμοκρασία υπάρχει επειδή οι δύο πλευρές του γυαλιού δεν μπορούν να φτάσουν σε μια κατάσταση θερμικής ισορροπίας με τον παγωμένο αέρα, όπως συζητήσαμε νωρίτερα.

Έτσι, όταν η θερμότητα χάνεται από τη μία πλευρά του γυαλιού, η άλλη πλευρά είναι συγκριτικά πιο ζεστή και επομένως, πιο διογκωμένη. Αυτή η αντίθεση στη διαστολή προκαλεί στη συνέχεια το ράγισμα ή το σπάσιμο του γυαλιού.