ガラスは絶縁体であるため、ガラスに急激な温度変化が生じると、一方の面がもう一方の面よりも速く収縮し、ひびが入ります。
数日前、水の入ったガラス瓶を冷凍庫に入れて、水がすぐに冷えるようにしました。案の定、すぐに忘れてしまいました。翌日、冷凍庫を開けてみると、水が氷になっていて（予想外）、ボトルが割れていた（予想外）！では、今日の問題は…なぜガラスが割れたのか?
これに答えるには、熱平衡と熱伝導体としてのガラスを理解する必要があります。それでは… 飛び込みましょう!
熱平衡
熱エネルギーは、物体またはシステムの温度に関連するエネルギーです。熱について話すとき、ある物体から別の物体への熱エネルギーの移動について言及しています。熱は、伝導、対流、または放射のいずれかによって伝達されます。一般的に、熱エネルギーの交換 (およびある形態から別の形態への変化) に関する法則は、熱力学の法則と呼ばれます。これらの法則は、あらゆるシステムにおける温度変化の理解を支配します。
熱力学のゼロ法則 (写真提供:Fouad A. Saad/Shutterstock)
熱力学のゼロ法則
私たちの質問に照らして、最も関連性のある法則は熱力学のゼロ法則です。この法則は本質的に、「2 つの物体が第 3 の物体と同じ温度である場合、それらは同じ温度である」と述べています。これは、異なる温度のシステムが接触している場合、時間の経過とともに熱平衡点に達することを意味します。この法則が体温計の元になっています！これをよりよく理解するために、熱平衡とは何かを定義して理解を深めましょう。
熱平衡に達する 2 つのオブジェクト (写真提供者:OSweetNature/Shutterstock)
簡単に言えば、2 つの物体が熱平衡状態にあるとき、それらは互いに接触し、同じ温度になります。したがって、物体の 1 つが他の物体よりも熱くなっている場合、2 つの物体が同じ温度になるまで、熱が冷たい物体に失われます。
温度の変化によりガラスはどのように変化しますか?
固体には 3 種類の構造があります。結晶、多結晶またはアモルファス。非晶質固体は、その構造に均一な秩序がない物質です。結晶性固体は、完全に秩序立っています。
一方、多結晶固体は、同じ固体内に含まれる異なる配向のいくつかの異なる結晶材料を有するものです。ガラスはセラミック材料であり、さまざまなアモルファス固体のさまざまな組成で見られます。ガラスは多くの場合、大部分がシリカでできています。シリカには、結晶とアモルファスの 2 種類の状態があります。
ガラス製造に使用されるシリカの種類は、アモルファスまたは非結晶の種類です。最も一般的な種類のガラスは、非晶質シリカまたは二酸化ケイ素 (SiO2) で作られた光学的に透明なセラミックで、酸化ナトリウム (NaO)、石灰 (CaO)、およびマグネシア (MgO) が約 30% (ソース) 添加されています。物体に熱を与えると体積が膨張し、熱を失うと収縮します。ガラスは、温度が変化したときにもこのように反応します。
3 つの立体構造の表現 (写真提供:Nasky/Shutterstock)
熱は、電気と同じように、良い導体と悪い導体の両方を持っています。ガラスは熱伝導率が非常に悪いです。この特性は、そのアモルファス構造によるものです。セラミックの無秩序な原子は、熱エネルギーを確実に伝達することができません。その断熱特性のために、温度が両側で異なる場合、(ボトルのような) より厚い部分はサイズの不一致を引き起こすのに十分です.ガラスは熱伝導が悪いため、両側が熱平衡状態に達するまでに時間がかかります。
ガラスが割れる理由
割れたガラス瓶 (写真提供:Tim Pieloth/Shutterstock)
ガラス製品は、これらの熱力学的特性により、急速に変化する温度にさらされると壊れやすくなります。媒体を介して熱交換する必要があります。
私たちの質問では、2 つの物体は冷気とガラスそのものです。冷たい空気は、熱が失われる媒体として機能します。凍った空気は最初にガラスの片面に接触し、ガラスの片面は急速に熱を失い、結果的に収縮します。先に説明したように、ガラスの両面が凍った空気と熱平衡状態に達することができないため、温度のコントラストが存在します。
したがって、熱がガラスの片側から失われると、反対側は比較的暖かく、したがってより膨張します。この膨張のコントラストにより、ガラスにひびが入ったり壊れたりします。
