温度変化に対するガラスの破壊

質問

冷たいガラスのコップを急激に熱湯につけると割れてしまうと思いますがこれはどういう理由からでしょうか？
コップにはどこにも拘束条件がないので自由膨張をし、熱による応力は最初から最後まで働かないと思うのですが。
詳しい方ご教示願います。

回答No.3

noname#175206

>コップにはどこにも拘束条件がないので自由膨張をし、熱による応力は最初から最後まで働かない

　ゆっくり熱せば、その通りになりますね。割れることなく、熱する温度次第では、ついには融け始めて、次第に形が崩れるまで加熱できます。

　仰るように「急激」である場合だけ割れます。それはガラスの熱伝導の遅さが関わっています。

　冷たいガラスのコップに充分な量の熱湯を注いだら、内側は急速に熱せられて膨張しようとしますが、まだ熱伝導が無い外側は冷たいままで膨張はありません。

　つまり、温度変化がまだ無い外側が、熱せられた内側の膨張を拘束しています。これは熱したコップに冷水を注いでも、応力の向きは違いますが、現象としては同様です。

　もし熱伝導が外側まで間に合わず、しかも外側のガラスの強度を超える内側の膨張（冷却なら収縮）があれば、それが破壊応力となって、コップは割れてしまいます。

お礼

cozycube1様
早速のご回答ありがとうございました。
全体が同時に膨張しないことに原因があるという点、よくわかりました。

回答No.2

rnakamra

ガラスは熱伝導性が悪く、コップにお湯を入れるとその瞬間内外でかなり大きな温度差が生じます。そのため内側は素早く大きくなるのに対して外側の大きさはあまり変化しないため大きな内部応力が発生します。

さらに、ガラス自体の物性が破壊に大きな影響を持ちます。
ガラスという材質は金属とは異なり分子がいろいろな方向を向いて配置されています。そのため膨張するにしていもそれぞれの分子の伸びやすい方向が異なり通常の状態でも内部応力が発生してしまいます。ここに応力が加わるとこの接合部分に応力が集中し簡単に割れてしまいます。

中にはお湯を入れても割れないガラスがありますが、これは熱伝導がよいわけではなく、熱膨張が非常に小さいため内部応力の発生がかなり小さいため割れません。
特に石英ガラスの熱膨張は非常に小さく、非常に高い精度が求めれれる半導体機器においてはかなり重要な役割を持っています。

お礼

rnakamra様
早速のご回答ありがとうございました。
実例まで挙げていただきよく理解できました。
全体が同時に膨張しないことに原因があるという点、よくわかりました。

回答No.1

funflier

熱湯に触れた部分「だけ」が急激に膨張し、他が膨張しないのでここに寸法差
による応力が発生するからです。これがサーマルショック、熱衝撃です。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%80%90%E7%86%B1%E3%82%AC%E3%83%A9%E3%82%B9

実際、耐熱ガラスと勘違いしてコップに熱湯を入れたことがありますが、
底が皿状に分離して落下、円筒形部分だけが残りました。この場合底に近い
円筒部分に於いて円筒直径／円周長に差が出来たのです。

同様に、ガラスのボトルからコップを作る方法は聞いたことがあります。
ビール瓶、ワインボトル等に部分的に縄を巻き、可燃性の油を染み込ませて
着火し、加熱したところで水に入れると熱した部分から割れるので後は
適当なヤスリで成形するそうです。（試したことはありません。伝聞です。）

航空機、特に高空を飛ぶ旅客機等の前面窓ガラスにはマイナス数十度の風に
さらされながらも防氷とアクリル層の弾性維持のために温度を上げる事の出来る
強力なヒーターが金属薄膜として内蔵されていますが、これは地上駐機中に作動させ
てはいけないことになっています。やはり熱衝撃で割れてしまうからです。
この場合もガラス全体としてはシール材のようなゴムで支えられ膨張出来ますが、
厚い為に一方の面だけが急速に膨張していくという応力に耐え切れない、という
ことが起きるからです。

お礼

funflier様
早速のご回答ありがとうございました。
実例まで挙げていただきよく理解できました。
全体が同時に膨張しないことに原因があるという点、よくわかりました。