你不一定知道的科学常识玻璃是液体还是固体

斯特拉斯堡大教堂令人惊叹的彩色玻璃

玻璃在生活中很常见,尤其是中世纪建筑的彩色玻璃窗有一些奇怪的地方:它们的底部比顶部厚。许多人认为这是因为玻璃实际上是一种液体,几个世纪以来一直流淌在玻璃上。相比之下,其他人则认为玻璃不会流动,因为它是固体,或者可能是无定形固体或过冷液体。

那么玻璃到底是什么,固体、液体,还是介于两者之间的某种物质?

如果按照严格的定义,玻璃是一种非平衡、非结晶的物质状态,在短时间内呈现固态,但不断松弛到液态。

通俗的讲,玻璃既不是真正的液体,也不是真正的固体,它具有两者的特性,但它有自己独特的物质状态。

这听起来可能很复杂,如果单独观察这个科学定义的每个组成部分,就能明白玻璃实际上是介于固体和液体之间。

玻璃的分类

世界上有各种不同的天然和人造玻璃,大多数日常玻璃是所谓的钠钙硅酸盐玻璃,它是由沙子、石灰石和苏打灰在摄氏度左右熔化在一起制成的。但还有其他类型,例如耐热耐热玻璃或强耐热玻璃以及可弯曲的大猩猩玻璃,其中含有其他化学物质,从而赋予它们特殊的性能。

尽管玻璃类型在化学成分上有所不同,但各种材料的结构有很多共同点。正是这种结构(材料内部原子和分子的排列),导致人们对玻璃结构以及玻璃是固体还是液体感到困惑。

固体和液体之争的科学原因

通常当我们想到固体时,实际上指的是晶体材料。比如盐,它具有规则且有序的结构。在熔点以下,这种固体晶体结构是最稳定的形式,而在熔点以上,液体形式变得更加稳定。所有材料都希望采取最稳定的形式,即所谓的平衡状态。

然而,玻璃很不寻常,因为它不以这种稳定状态存在。

玻璃是通过熔化各种成分以获得非常黏稠的液体而制成的,这种液体不易流动。然后它很快冷却,但由于它非常黏稠,原子无法轻易移动以重新排列成更有序的固体结构,并且它们会陷入无序的排列中。因此玻璃这种材料在机械上是固体,但具有类似液体的无序结构。

为了达到平衡,玻璃需要“松弛”回到液态。但在室温下,物理粒子的移动速度非常缓慢,因此这就不切实际。

这就是所谓的亚稳态平衡:它看起来是固体,因为当我们与它相互作用时,它的时间尺度比回到液体的松弛行为要短得多。这意味着尽管玻璃材料中可能发生极其缓慢的变化(以数十亿年的时间尺度来衡量),但玻璃的行为更像是固体而不是液体。

结语

从实际意义上讲,将玻璃定义为一种刚性固体更为合适,因为我们可以在任何合理的时间尺度上进行测量。

回到中世纪建筑的彩色玻璃窗的问题,几个世纪以来也不足以看到玻璃窗表现得像液体,限于工艺能力,多年前的工匠们无法制造出厚度均匀的玻璃。




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