¿Por qué se rompe el vidrio caliente cuando entra en contacto con agua fría?

Answer 1

Este es uno interesante. Como la mayoría de las sustancias, el vidrio se expande a medida que se calienta y se encoge a medida que se enfría. También tiene conductividad térmica moderadamente baja. Y es duro pero quebradizo. Estos tres hechos son la razón por la cual el vidrio puede romperse cuando se enfría repentinamente. E irónicamente, los mismos principios nos permiten hacer que el vidrio templado sea extremadamente fuerte.

Imagina que tienes un pedazo de vidrio caliente y grueso. Se calienta de manera uniforme y, por lo tanto, se expande térmicamente de manera uniforme. Ahora sumérjalo en un baño de agua helada: la superficie se enfriará casi instantáneamente al contacto, pero el medio tiene que esperar a que el calor se aleje antes de que se enfríe. Eso crea un perfil térmico desigual, donde la superficie está fría pero el interior está caliente.

Como resultado, la superficie se encoge! O lo intenta. El vidrio interior caliente evita que la superficie del vidrio se contraiga. Esto crea un perfil de tensión potente a través del vidrio: la superficie está tratando de encogerse, pero no puede, por lo que se fuerza a la tensión. El núcleo caliente está intentando mantener el mismo volumen, pero la superficie se comprime, por lo que el núcleo experimenta compresión.

Ok, entonces está bajo estrés ahora, ¿y qué? El vidrio tiene una enorme resistencia a la compresión. Y cualquier sólido confinado sometido a estrés puramente hidrostático (desde todos los lados por igual) es prácticamente invencible. (Puede dejar caer un huevo o un pedazo de porcelana fina al fondo del océano y la presión no lo romperá). El vidrio también tiene, bastante sorprendente, una resistencia a la tracción enorme: en las pruebas de laboratorio de muestras ultrapuras, resistencias a la tracción en Se han observado un millón de libras por pulgada cuadrada . Bajo condiciones controladas, el vidrio es en realidad mucho más fuerte que el metal.

Pero las condiciones reales no están controladas y, como todos sabemos, el vidrio es increíblemente frágil. El defecto o rasguño más pequeño en la superficie es capaz de actuar como un sitio de nucleación para fallas frágiles. Una vez que se inicia una fractura en un vidrio estresado, las grietas pueden extenderse y crecer como un rayo. El estrés se concentra en la punta de la fractura, causando que se alargue hasta que toda la pieza se agrieta. Entonces , el vidrio de superficie bajo tensión es muy débil en la práctica. (Tenga en cuenta que digo “superficie” aquí. Eso es importante más adelante).

Entonces, en nuestro ejemplo de agua caliente con vidrio en hielo, la superficie está tratando de encogerse pero no puede, lo que significa que está súbitamente bajo tensión. Y el núcleo se pone en compresión al resistir la contracción. No es difícil averiguar qué sección de vidrio gana el tira y afloja: la superficie falla primero. Y una grieta surge de algún rasguño o defecto microscópico, que crece y se extiende hasta que el estrés se alivia lo suficiente o se rompe el vidrio.

Es por eso que el vidrio caliente se rompe cuando de repente se enfría. Pero hay una manera realmente genial de usar este efecto para hacer que el vidrio sea más fuerte .

El “vidrio templado” (http://en.m.wikipedia.org/wiki/T…) es un vidrio que se ha tratado con calor para hacerlo más fuerte y seguro. Un panel grande de vidrio regular se calienta hasta el punto donde es suave y capaz de ceder, por lo que puede fluir muy ligeramente y redistribuir las tensiones internas. Luego, la superficie se revienta con aire frío, lo que hace que se enfríe y se contraiga rápidamente al igual que en el ejemplo anterior. Pero esta vez, el núcleo está tan caliente que es capaz de producir un poco de manera inofensiva, lo que evita la acumulación de tensión en la capa de superficie más fría. Es algo así como la forma en que un clip se puede doblar a la mitad sin romperse. El vidrio caliente tiene cierta ductilidad, no es quebradizo.

Así que ahora el panel de vidrio tiene esta capa de superficie fría y encogida, y un núcleo caliente y expandido, y esfuerzos mínimos (a diferencia del caso anterior). Ahora se permite que el panel entero se enfríe un poco más lento, por lo que el núcleo puede volver a endurecerse y contraerse. A medida que el núcleo se enfría, trata de encogerse, pero ahora el vidrio de la superficie no lo deja contraerse. Por lo tanto, el núcleo desarrolla una gran cantidad de esfuerzo de tracción, porque quiere contraerse, mientras que la superficie desarrolla un esfuerzo de compresión a medida que el núcleo de enfriamiento lo jala.

Recuerda, el vidrio es excepcionalmente fuerte en compresión. Y el núcleo interno no se puede rayar con el uso diario, por lo que las fracturas no se inician y la alta resistencia de laboratorio del vidrio puede entrar en juego. Así, el vidrio templado obtiene lo mejor de las propiedades del material del vidrio, sin los inconvenientes.

Para que el vidrio templado se agriete, la superficie debe ponerse en tensión para que una fractura se propague lejos de un rasguño en la superficie. Pero ya está en compresión, lo que significa que romper el vidrio templado requiere superar todo ese esfuerzo de compresión interno residual. Por lo tanto, el punto de falla se eleva dramáticamente.

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Y en un giro de eventos extremadamente fortuitos, tan pronto como una grieta logra penetrar en la superficie para alcanzar el núcleo de alta tensión, todo el cristal se rompe en pedazos pequeños. Toda esa tensión interna atrapada solo necesita una fractura para comenzar, y toda la zona de alta tensión se rompe en pedazos. Esto significa que el vidrio templado roto hace miles de piezas pequeñas en lugar de grandes fragmentos dentados. Esta es una característica de seguridad enorme en aplicaciones como automóviles donde los vidrios rotos pueden golpear a los pasajeros en un accidente.

Me parece que este es un concepto maravilloso. ¡Al poner el vidrio en un gran estrés interno, lo hacemos más resistente al estrés externo! El enfriamiento rápido destruye el vidrio caliente regular, pero fortalece el vidrio realmente caliente. Cosas ingeniosas.

Answer 2

Cuando el vidrio se expone a un cambio repentino de temperatura, se desarrollan dos tipos de tensiones en su superficie interna y externa,

Las tensiones o fuerzas de tracción que ‘estiran’ la superficie del vidrio (contra la contracción causada por la temperatura fría) se desarrollan en la región donde la temperatura es fría. En consecuencia, la superficie relativamente más caliente desarrolla tensiones de compresión para compensarla.

En el caso de que un vidrio caliente entre en contacto con agua fría, la superficie externa (fría) es donde se desarrollan tensiones de tensión y se desarrollan tensiones de compresión en la superficie interna (más caliente).
Si la estabilidad térmica del vidrio es buena, estas fuerzas se equilibran, si no, el vidrio se rompe.

Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la superficie interna y externa del vidrio, más probable es que no resista un choque térmico.

El vidrio enfriado repentinamente es más probable que se rompa que el vidrio repentinamente calentado. Esto se debe al hecho de que las tensiones de tracción producidas en la superficie exterior (que ya están un poco dañadas debido a los usos diarios) lo dañan aún más.

(Fuente de la imagen – Principios de empaquetado, por Gordon L. Robertson )

Answer 3

Si conoce su física, sabrá que las sustancias se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. El problema con el vidrio es el espesor del vidrio. Cuando se deja enfriar por sí solo, el vidrio se enfría de manera uniforme por todos lados, por dentro y por fuera. Cuando se enfría rápidamente, p. Ej., Haciendo correr agua fría sobre él, el vidrio se enfría de manera desigual y, por lo tanto, hace que el vidrio se agriete porque el interior se contrae, mientras que el exterior permanece expandido. Esta diferencia provoca un vacío intermedio que hace que las moléculas de vidrio se muevan hacia el vacío para intentar llenar el espacio creado. Esto hace que la pared de vidrio se colapse y se agriete. La grieta también se ve reforzada por el hecho de que el agua fría golpea la pared de vidrio interior en diferentes lugares y esto provoca el colapso de manera desigual.

Answer 4

Básicamente su expansión diferencial.

El vidrio se expande cuando está caliente, se contrae cuando está frío. Realmente no es muy conductivo, por lo tanto, cuando tiene un trozo de vidrio como en un recipiente, que se ha calentado a través, y lo llena con líquido frío, el vidrio externo permanece caliente y el vidrio interno debido al contacto con el líquido se enfría. con rapidez.

Por lo tanto, el exterior del vidrio sigue siendo grande y el interior se encoge causando una cizalla en direcciones opuestas en las superficies del vidrio, puede y causará que el vidrio quebradizo se fracture y falle.

Answer 5

Los materiales como el vidrio se expanden cuando se calientan y se encogen cuando se enfrían. Cuando las piezas están a diferentes temperaturas, se estiran como un resorte para contrarrestar la tensión. Si la tensión y las fuerzas internas exceden el límite elástico del material, entonces se forma una grieta y se propaga rápidamente. Algunos vidrios como el pyrex están diseñados específicamente para tener una baja expansión térmica y, por lo tanto, menos probabilidades de romperse bajo estrés térmico.

Answer 6

Respuesta rápida / simple:
Por la misma razón que se rompe el vidrio frío si se calienta repentinamente.
La razón por la que se rompe es porque el calor no se transfiere (hacia adentro o hacia afuera) de manera uniforme a través de todo el cuerpo de vidrio, y las diferencias en las tasas de expansión / contracción causan estrés que se alivia con una ruptura.

Ryan Carlyle ofrece más sobre las propiedades del vidrio responsable de su mayor susceptibilidad a la “capacidad de ruptura”

Answer 7

Sí, el vidrio caliente se romperá cuando entre en contacto con agua fría. Pero depende principalmente del grosor del vidrio. Vamos a tomar un vaso de vidrio grueso. cuando toda la secadora está a la misma temperatura (caliente) y se vierte agua fría. la superficie exterior se ha expandido y la superficie interior se ha comprimido. Como el vidrio es un mal conductor (la dosis de calor no se transfiere rápidamente) de calor, la parte exterior se expande y la parte interior se contrae. Debido a tal cambio anormal se agrietará. Un proceso similar cuando se vierte agua caliente en un vaso frío.

Answer 8

Debido a la ‘crisis térmica’
la superficie enfriada se encoge en comparación con el vidrio interior, y la tensión hace que el vidrio se rompa