Bạn đã bao giờ thắc mắc tại sao ly rượu lại vỡ thành từng mảnh khi va chạm? Hay có một khoảnh khắc nào đó lo sợ rằngthủy tinhcác bức tường của tòa nhà sẽ bị vỡ và đổ? Cấu trúc của thủy tinh rất phức tạp. Nó cứng và chắc, nhưng đồng thời cũng dễ vỡ. Đối với một thứ quá phổ biến, khoa học đằng sau kính vỡ cũng rất phức tạp.
Tại sao kính lại vỡ?
Trên thực tế, lý do khiến thủy tinh dễ vỡ là do cấu trúc phân tử của nó.Thủy tinh được làm từ silica. Silica tạo thành một mạng lưới phân tử ngẫu nhiên, cứng nhắc. Không giống như hầu hết các chất rắn, các nguyên tử silicon và oxy trong thủy tinh được kết nối ở các góc ngẫu nhiên theo một kiểu không đều.
Sự sắp xếp không trật tự này mang lại cho kính độ trong suốt và dễ dàng tạo thành các hình dạng khác nhau khi đun nóng. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là không có điểm yếu. Kết quả là khi có áp lực từ bên ngoài tác dụng, kính sẽ bị vỡ lởm chởm, mất kiểm soát. Bất kỳ khiếm khuyết hoặc vết xước nhỏ nào trên bề mặt cũng có thể trở thành nơi tập trung ứng suất. Một khi vết nứt được kích hoạt, nó sẽ nhanh chóng lan rộng khắp vật liệu.
Khi các vết nứt bắt đầu lan rộng, chúng khó có thể dừng lại. Mặc dù liên kết giữa nguyên tử silicon và oxy rất mạnh. Nhưng vết nứt khó có thể đổi hướng hoặc dừng lại ở mép khuyết tật. Do hình dạng không đều của các liên kết silico-oxy, chúng sẽ tiếp tục đi qua mạng ngẫu nhiên.Thủy tinhthiếu cấu trúc có trật tự nên khó dự đoán khi nào nó bị hỏng.
Cách duy nhất để cải thiện khả năng chống va đập của thủy tinh là đưa ra một cách sắp xếp phân tử có trật tự hơn. Cũng giống như sự an toàn củakính cường lựccao là do sự sắp xếp phân tử của nó có trật tự. Bằng cách làm nóng nhanh và sau đó làm lạnh nhanh, ứng suất nén có thể được tạo ra bên trong kính. Những ứng suất này giúp chống lại sự lan rộng của vết nứt. Vì vậy kính cường lực có thể chịu được tải trọng cao hơn. Nhưng điều đó không có nghĩa là nó không thể phá vỡ. Nó chỉ phá vỡ ở dạng an toàn hơn. Tức là nó vỡ thành những hạt nhỏ chứ không phải những mảnh sắc nhọn như thủy tinh thông thường.
Tại sao nhiệt làm vỡ kính?
Kính sẽ vỡ trừ khi bị tác động bởi ngoại lực. Nó cũng bị vỡ khi chịu ứng suất nhiệt. Trong môi trường nhiệt độ cao, sự mất cân bằng nhiệt độ khiến kính giãn nở không đều, gây áp lực lên cấu trúc của nó. Khi một vùng thủy tinh nóng lên, sự giãn nở xảy ra. Nhưng những vùng mát hơn không mở rộng với tốc độ như nhau.
Vì vậy, bạn có thể tưởng tượng rằng một phần của tấm kính đang giãn nở nhanh chóng, trong khi phần còn lại đang giãn nở chậm. Trong trường hợp này, căng thẳng sẽ được tạo ra bên trong kính. Vì vậy, nó kéo vào kính và làm cho nó biến dạng. Nếu những căng thẳng này trở nên quá nghiêm trọng,thủy tinhsẽ vỡ. Trên thực tế, tấm kính bị vỡ chỉ để giảm bớt sức căng của chính nó. Nhưng theo chúng tôi, tấm kính quá dễ vỡ.
Mức độ ứng suất nhiệt cũng phụ thuộc vào ba yếu tố
Chênh lệch nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ giữa phần nóng và phần lạnh của kính càng lớn thì ứng suất càng lớn.
Tốc độ thay đổi nhiệt độ
Nói chung, khi nhiệt độ tăng hoặc nguội nhanh, tốc độ giãn nở hoặc co lại của kính sẽ nhanh hơn. Điều đó làm tăng sự căng thẳng.
Độ dày và hình dạng của kính
Kính mỏng hơn, không đều hơn sẽ dễ bị vỡ hơn. Bởi vì nó không thể chịu được sự biến động nhiệt độ.
Để giảm thiểu ứng suất nhiệt, tránh để kính tiếp xúc với sự thay đổi nhiệt độ quá nhanh hoặc quá nhanh. Ví dụ, không đổ nước sôi lên kính lạnh và không để kính tiếp xúc với nhiệt độ đóng băng. Sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng này làm chothủy tinhcó nhiều khả năng bị vỡ hơn. Bảo vệ kính khỏi ứng suất nhiệt là chìa khóa để ngăn ngừa vỡ kính. Vì vậy, chúng ta nên chú ý đến môi trường nhiệt độ của kính trong cuộc sống.
