最近、SNSの動画でワインの注ぎ口近くを熱した後に濡れたタオルで拭くと、綺麗に割れるっていう動画を見たんだ。
なんか、ガラスは熱した後に冷やすと割れるってのは知ってるけどなんで割れるんだろう？
じゃあ調べてみよう！ガラスはなぜ急な温度変化で割れる？熱割れの仕組みを解説！
結論
結論からいうと、
ガラスの中に大きな温度差ができると、場所によって膨らみ方や縮み方が変わり、強い力がかかるからです。
物は温めると膨らむ
多くの物質は、温度が上がると少し膨らみます。
これを、
熱膨張
といいます。
反対に、温度が下がると縮みます。
ガラスも同じです。
目で見てもほとんど分からない程度ですが、温度によってわずかに大きさが変化しています。
全体が同じ温度なら問題は起こりにくい
例えばガラス全体をゆっくり温めた場合、ガラス全体がほぼ同じように膨張します。
そのため、内部に大きな力は発生しません。
問題になるのは、
一部分だけ急に温度が変わったとき
です。
熱湯を入れるとどうなる？
冷たいガラスのコップに熱湯を入れたとします。
すると最初に熱くなるのは、熱湯に触れたコップの内側です。
内側のガラスは温められて膨らもうとします。
ところが、外側のガラスはまだ冷たいままです。
外側はほとんど膨らんでいません。
すると、
内側は膨らみたいのに、外側がそれを邪魔する
ような状態になります。
その結果、ガラスの内部に強い力がかかります。
この力を、
熱応力
と呼びます。
熱応力がガラスの強度を超えると、ヒビが入り、そのまま割れてしまいます。
急に冷やしても同じ
反対に、熱いガラスへ冷たい水をかけても同じことが起こります。
表面だけが急に冷えて縮もうとします。
しかし内部はまだ熱いため、大きさを保とうとします。
すると表面と内部の間に大きな力が生じます。
つまり、
急に温めても、急に冷やしても危険
なのです。
大切なのは「熱いか冷たいか」ではなく、
ガラスの中にどれくらい大きな温度差ができるか
です。
ガラスはなぜ特に割れやすい？
金属も温度によって膨張します。
しかし金属には、力が加わったときに多少変形できる性質があります。
一方、ガラスは非常に硬い反面、ほとんど変形できません。
そのため、内部に大きな力が発生すると、曲がって逃げるのではなくヒビが入ってしまいます。
ガラスのように、大きく変形する前に割れてしまう性質を、
脆い
と表現します。
耐熱ガラスは何が違うの？
電子レンジやオーブンで使える耐熱ガラスは、普通のガラスより温度変化に強く作られています。
代表的なものが、
ホウケイ酸ガラス
です。
ホウケイ酸ガラスは、一般的なガラスに比べて熱による膨張が小さくなっています。
膨張する量が小さければ、温度差が生じても内部に発生する力を抑えることができます。
そのため、急な温度変化にも比較的強くなります。
ただし耐熱ガラスでも、どんな温度差にも耐えられるわけではありません。
まとめ
ガラスが急な温度変化で割れる原因は、
場所によって膨張や収縮の量が変わり、内部に強い力が発生するからです。
冷たいガラスへ熱湯を入れると、内側だけが先に膨らみます。
反対に、熱いガラスを急に冷やすと、表面だけが先に縮みます。
この温度差によって生まれる「熱応力」がガラスの強度を超えると、ヒビが入って割れてしまいます。
つまりガラスにとって怖いのは、
高温そのものではなく、急激な温度差
なのです。
キーワード
ガラス / 熱膨張 / 熱応力 / 耐熱ガラス / ホウケイ酸ガラス / 温度差 / 科学
※本記事では、文章作成および画像生成の一部にAIを活用しています。
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