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趣味物理学
1.8.4 6.4 茶杯和水表管
6.4 茶杯和水表管

有经验的主妇在给客人倒热水时,总是先在杯子里放一把茶匙,而且最好是银质的,以防止杯子突然破裂。她的这种做法很正确,而她之所以会这样做完全受益于生活经验。你若问她其中的原因,她可能完全不知。那么,这样做到底有什么理由呢?

要弄明白这个问题,我们先要搞清楚为什么倒开水时,杯子会突然破裂。

这个原因很简单,那就是倒开水时,玻璃的各部分不能同时受热膨胀。开水先与杯子内壁接触,将热传给内壁。受热后的内壁立即膨胀起来。可是杯子的外壁呢,还没有热量传过来(要知玻璃是热的不良导体),它依然保持原来的尺寸不变。这样一来,外壁就会受到内壁的挤压,从而外壁被挤破,于是玻璃杯就破了。

很多人认为杯子越厚越不易烫裂。可仅从热胀冷缩的角度上来说,杯子越厚反而越容易破裂。原因很好理解,薄杯子因杯壁较薄,内壁的热量会很快传到外壁,从而使内外壁温度一致,达到同步膨胀;而厚杯子呢,内壁的热量要花好长时间才能传到外壁,内壁受热快速胀起来后,外壁好长时间后才会受热,也许还等不到内壁的热量传过来,外壁就被挤压破了。

不过在我们选用薄杯子或者别的薄玻璃器皿时,有一点我们要记住:不仅杯壁要薄,杯底也要薄。要知道倒开水时,最先受热的恰恰是杯底,如果杯底很厚的话,即使杯壁很薄,杯子也会破裂。生活中,那些有厚厚的底的圆脚杯和瓷器杯,是特别容易烫裂的。

玻璃器皿越薄,加热时,它越不易破裂。化学家们在做实验时,就常常用这种很薄的玻璃器皿。这种器皿里面装了液体后,即使放在酒精灯上直接烧,烧到里面的液体沸腾了,也不用担心它会破裂。

当然,如果用加热时完全不膨胀的材料做器皿那就更理想了。石英就是这样的材料之一,它的膨胀系数只有玻璃的。用透明的石英制作的器皿,即使杯壁很厚,也可以随意加热而不用担心它会破裂。即便你把石英器皿烧得通红时,突然将它扔进冰水里,它也会完好无损。不过,石英之所以不怕外界温度剧变的影响还有一个原因[2],那就是石英的导热性比玻璃强多了。玻璃杯容易破裂的情况可不只是发生在快速受热时,在快速遇冷时,它们也易发生相同的情形。原因也是遇冷时,杯子各部分冷缩不均匀所致。一般地,杯子的外壁首先遇冷收缩,开始挤压内壁,而内壁呢,还未变冷,也就来不及收缩,于是就破裂了。举个简单例子说,装有滚烫果酱的玻璃瓶,你绝不能立即把它浸到冷水里或放进冰箱里。

说了这么多,让我们把话题还是拉回到玻璃杯里的银茶匙上来,分析一下银茶匙是如何有效地保护玻璃杯的。我们知道,玻璃杯在开水快速倒进去的瞬间,其内外壁受热程度的差别最大,而温水因温度变化不大,不会使内外壁受热有多大差别,当然也不会产生强大的压力差,将杯子挤破。那么,在杯子中放一把茶匙会对杯子产生什么作用呢?如果杯子中有茶匙,那么在开水倒入杯底尚未完全烫热杯子内壁前,会把其中的一部分热量传给茶匙,因为它是热的良导体。这样一来,杯中的开水就变成了热水,对杯壁的影响也大大降低了。当我们继续倒开水时,杯子因之前已受热,其温度变化就相对小多了,也就不怕开水了。

总的来说,放在杯子里的金属茶匙越大,越能有效地缓和杯子受热不匀的程度,防止杯子破裂。

可是,为什么银质的茶匙效果会更好一些呢?因为银是热的优良导体,其导热性能要比不锈钢强得多。你要知道,如果你捏住放在倒有开水杯子里的银茶匙,会很烫手,而捏同样状态下的不锈钢茶匙,就不那么烫手。仅从这一点,你就可以准确无误地区别茶匙的原料了。

像这种玻璃器皿内外壁受热、膨胀不一致的现象,不仅危及器皿本身的完整性,还会严重威胁蒸汽锅炉用来测定锅内水位的表管计。这种表管计其实就是一段玻璃管,受锅炉里的蒸汽和沸水的影响,它的内壁的膨胀程度要比外壁大得多,这样一来,管子就极易破裂。为了有效防止管子的破裂,人们常常采用双层管壁来制作表管计,而且它的内层的膨胀系数要比外层小。