趣味物理：從茶杯談到水表管

　　一位有經(jīng)驗的家庭主婦，當她把熱茶倒到客人的茶杯里去的時候，為了避免杯子破裂，總不會忘記把茶匙放在杯子里，最好是銀茶匙。是生活上的經(jīng)驗教會她這個正確的做法的。那么，這個做法的原理是什么呢？

　　首先，我們要明白，在倒開水的時候，杯子為什么會破裂。

　　這原因是玻璃的各部分沒有能夠同時膨脹，倒到杯子里去的開水，沒有能夠同時把茶杯燙熱。它首先燙熱了杯子的內(nèi)壁，但是這時候，外壁卻還沒有來得及給燙熱。內(nèi)壁燙熱以后，立刻就膨脹起來，但是外壁還暫時不變，因此受到了從內(nèi)部來的強烈的擠壓。這樣外壁就給擠破了──玻璃破裂了。

　　你千萬不要以為杯子厚就不會燙裂。厚的杯子在這方面來說，恰好是最不可靠的；厚的杯子要比薄的更容易燙裂。這原因很明顯。薄的杯壁很快就會燙透，因此這種杯子內(nèi)外層的溫度很快會相等，也就會同時膨脹；但是厚壁的杯子呢，那一厚層的杯壁要燙透是比較慢的。

　　在選用薄的杯子或者別種薄的玻璃器皿的時候，有一點不要忘記：不但杯壁要薄，而且杯底也要薄。因為在倒開水的時候，燙得最熱的恰好是杯子的底部；假如底太厚的話，那么，不論杯壁多么薄，杯子還是要破裂的。有厚厚的圓底腳的玻璃杯和瓷器，也是很容易燙裂的。

　　玻璃器皿越薄，把它加熱就越可以放心。化學(xué)家就是使用非常薄的玻璃器皿的，他們用這種器皿盛了液體，就直接在燈上燒到沸騰，一點也不怕它會破裂。

　　當然，最理想的器皿應(yīng)該是在加熱時候完全不膨脹的那一種。石英就是膨脹得非常少的一種材料，它的膨脹程度大約只等于玻璃的1／15到1／20。用透明的石英制成的厚壁器皿，可以隨意加熱也不會破裂。你可以把燒到紅熱的石英器皿丟到冰水里，也不必擔心它會破裂。這一半是因為石英的導(dǎo)熱度也比玻璃大。

　　玻璃杯不只在受到很快加熱之后才會破裂，就是在很快冷卻的時候，也有同樣的情形發(fā)生，原因是杯子各部分冷縮時候所受的壓力并不平均。杯子的外層受冷收縮，強烈地壓向內(nèi)層，而內(nèi)層卻還沒有來得及冷卻和收縮。因此，舉例來說，裝有滾燙果醬的玻璃罐，決不可以立刻放到嚴寒的地方或直接浸到冷水里面去。

　　好，讓我們再回到玻璃杯里的銀茶匙上來，究竟銀茶匙是怎樣保證杯子不破裂的呢？

　　玻璃杯的內(nèi)外壁，只有當開水一下子很快倒進去的時候，受熱程度才會有很大差別；溫水卻不會使杯子各部分受熱有很大差別，因此也不會產(chǎn)生強大的壓力，杯子也就不會破裂。假如杯子里放著一柄茶匙，那么會發(fā)生些什么情形呢？

　　那時候，當開水倒進杯底的時候，在還沒有來得及燙熱玻璃杯（熱的不良導(dǎo)體）之前，會把一部分的熱分給了良導(dǎo)體的金屬茶匙，因此，開水的溫度減低了，它從沸騰著的開水變成了熱水，對玻璃杯就沒有什么妨礙了。至于繼續(xù)倒進去的開水，對于杯子已經(jīng)不那么可怕，因為杯子已經(jīng)來得及略為燙熱了。

　　總而言之，杯子里的金屬茶匙，特別是這柄茶匙如果非常大，是會緩和杯子受熱的不平均，因而防止杯子的破裂的。

　　但是，為什么說茶匙假如是銀制的，就會更好一些呢？因為銀是熱的良導(dǎo)體；銀茶匙要比不銹鋼的茶匙散熱得更快。你一定知道，放在開水杯里的銀茶匙是多么燙手！單憑這一點，你就已經(jīng)可以毫無錯誤地確定茶匙的原料了，鋼制的茶匙是不會感到燙手的。

　　玻璃器壁膨脹不平衡的現(xiàn)象，不但威脅玻璃杯的完整，并且還威脅蒸汽鍋爐的重要部分──用來測定鍋里水位的水表計。水表管只是一段玻璃管，由于內(nèi)壁受到蒸汽和鍋里沸水的作用，要比外壁膨脹得多。此外，蒸汽和水的壓力更加強了管壁上所受的壓力，因此，這個管子（水表管）很容易破裂。為了防止它破裂，有時候用兩層不同的玻璃管來做，里面一層的膨脹系數(shù)比外面一層小。
 

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