《趣味物理学》在线阅读——第6章 热的现象（1-9）(4)

6.4　从茶杯谈到水表管

　　一位有经验的主妇，当她把热茶倒到客人的茶杯里去的时候，为了避免杯子破裂，总不会忘记把茶匙放在杯子里，最好是银茶匙。是生活上的经验教会她这个正确的做法的。那么，这个做法的原理是什么呢？

　　首先，我们要明白，在倒开水的时候，杯子为什么会破裂。

　　这原因是玻璃的各部分没有能够同时膨胀，倒到杯子里去的开水，没有能够同时把茶杯烫热。它首先烫热了杯子的内壁，但是这时候，外壁却还没有来得及给烫热。内壁烫热以后，立刻就膨胀起来，但是外壁还暂时不变，因此受到了从内部来的强烈的挤压。这样外壁就给挤破了，——玻璃破裂了。

　　你千万不要以为杯子厚就不会烫裂。厚的杯子在这方面来说，恰好是最不可靠的：厚的杯子要比薄的更容易烫裂。这原因很明显。薄的杯壁很快就会烫透，因此这种杯子内外层的温度很快会相等，也就会同时膨胀；但是厚壁的杯子呢，那一厚层的杯壁要烫透是比较慢的。

　　在选用薄的杯子或者别种薄的玻璃器皿的时候，有一点不要忘记：不但杯壁要薄，而且杯底也要薄。因为在倒开水的时候，烫得最热的恰好是杯子的底部；假如底太厚的话，那么，不论杯壁多么薄，杯子还是要破裂的。有厚厚的圆底脚的玻璃杯和瓷器，也是很容易烫裂的。

　　玻璃器皿越薄，把它加热就越可以放心。化学家就是使用非常薄的玻璃器皿的，他们用这种器皿盛了液体，就直接在灯上烧到沸腾，一点也不怕它会破裂。

　　当然，最理想的器皿应该是在加热时候完全不膨胀的那一种。石英就是膨胀得非常少的一种材料，它的膨胀程度大约只等于玻璃的15?20分之一。用透明的石英造成的厚壁器皿，可以随意加热也不会破裂①。你可以把烧到红热的石英器皿丢到冰水里，也不必担心它会破裂。这一半因为石英的导热度也比玻璃大。

　　玻璃杯不只在受到很快加热之后才会破裂，就是在很快冷却的时候，也有同样的情形发生，原因是杯子各部分冷缩时候所受的压力并不平均。杯子的外层受冷收缩，强烈地压向内层，而内层却还没有来得及冷却和收缩。因此，举例来说，装有滚烫果酱的玻璃罐，决不可以立刻放到严寒的地方或直接浸到冷水里面去。

　　好，让我们再回到玻璃杯里的银茶匙上来，究竟银茶匙是怎样保证杯子不破裂的呢？

　　玻璃杯的内外壁，只有当开水一下子很快倒进去的时候，受热程度才会有很大差别；温水却不会使杯子各部分受热有很大差别，因此也不会产生强大的压力，杯子也就不会破裂。假如杯子里放着一柄茶匙，那么会发生些什么情形呢？那时候，当开水倒进杯底的时候，在还没有来得及烫热玻璃杯（热的不良导体）之前，会把一部分的热分给了良导体的金属茶匙，因此，开水的温度减低了，它从沸腾着的开水变成了热水，对玻璃杯就没有什么妨碍了。至于继续倒进去的开水，对于杯子已经不那么可怕，因为杯子已经来得及略为烫热的缘故。

　　总而言之，杯子里的金属茶匙，特别是这柄茶匙如果非常大，是会缓和杯子受热的不平均，因而防止了杯子的破裂的。

　　但是，为什么说茶匙假如是银制的，就会更好一些呢？因为银是热的良导体；银茶匙要比不锈钢的茶匙散热得更快。你一定知道，放在开水杯里的银茶匙是多么烫手！单凭这一点，你就已经可以毫无错误的确定茶匙的原料了，钢制的茶匙是不会感到灼手的。

　　玻璃器壁膨胀不平衡的现象，不但威胁玻璃杯的完整，并且还威胁蒸汽锅炉的重要部分——用来测定锅里水位的表管计。水表管只是一段玻璃管，由于内壁受到蒸汽和锅里沸水的作用，要比外壁膨胀得多。此外，蒸汽和水的压力更加强了管壁上所受的压力，因此这个管子（水表管）很容易破裂。为了防止它破裂，有时候用两层不同的玻璃管来做，里面一层的膨胀系数比外面一层小。

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