Стеклянная банка может лопнуть от кипятка из-за термического удара. Горячая вода быстро нагревает внутреннюю поверхность стекла, а наружная часть стенки некоторое время остаётся холодной. Нагретый слой стремится расшириться, но более холодный слой мешает ему. В стекле возникают внутренние напряжения, и если они превышают прочность материала, появляется трещина.
Почему стекло нагревается неравномерно
Любое твёрдое тело немного расширяется при нагревании. Это свойство используют, например, в устройствах, работа которых связана с изменением объёма вещества при изменении температуры, о чём рассказывает статья «Как устроен термометр?».
Когда в холодную банку наливают кипяток, внутренняя поверхность почти сразу соприкасается с горячей водой. Внешняя поверхность ещё охлаждается окружающим воздухом и не успевает прогреться с той же скоростью.
Стекло проводит тепло намного хуже металлов. Поэтому температура не успевает быстро выровняться по всей толщине стенки. Возникает температурный перепад: одни участки уже расширились, а другие почти сохранили прежний размер.
Материал не может свободно изменить форму по частям. Нагретые и холодные слои связаны друг с другом, поэтому они растягивают и сжимают соседние области. Такое состояние называют термическим напряжением.
Как появляется трещина
Стекло твёрдое, но сравнительно хрупкое. Оно плохо переносит растягивающие напряжения и почти не деформируется перед разрушением. Если напряжение становится слишком большим, микроскопическая трещина быстро распространяется по стенке.
Разрушение часто начинается не в совершенно гладком участке, а возле слабого места:
- царапины;
- скола на краю;
- пузырька или другого дефекта внутри стекла;
- слишком толстого или неравномерного участка стенки;
- места, которое дополнительно охлаждается холодной поверхностью стола или мойки.
Даже небольшое повреждение концентрирует напряжение на своём конце. Поэтому старая банка с царапинами может расколоться в условиях, которые новая банка выдержала бы.
Изделие также может содержать остаточные напряжения, появившиеся ещё при изготовлении. После формования стекло необходимо контролируемо охлаждать, чтобы разные участки не застывали с большой разницей температур. Этот этап входит в процесс, описанный в статье о том, как изготавливают стекло и стеклянную тару.
Почему не каждая банка лопается
Результат зависит не только от температуры воды. Важны начальная температура банки, толщина и равномерность стенок, состав стекла, качество отжига и наличие повреждений.
Обычные банки и бутылки чаще делают из натриево-кальциевого стекла. Оно подходит для хранения продуктов, но не обязательно рассчитано на резкий перепад температур.
Термостойкую посуду нередко производят из боросиликатного стекла. Оно расширяется при нагревании слабее, поэтому в нём возникают меньшие напряжения. Но даже термостойкое стекло не является неразрушимым: его тоже можно повредить слишком резким или неравномерным нагревом.
Толстая стенка не всегда означает большую безопасность. Чем медленнее тепло проходит через материал, тем сильнее некоторое время различаются температуры внутреннего и наружного слоёв. Поэтому тонкое лабораторное стекло из подходящего материала иногда лучше переносит нагрев, чем толстая обычная банка.
Помогает ли металлическая ложка
Существует бытовой совет перед наливанием кипятка поставить в банку металлическую ложку. Металл действительно хорошо проводит тепло и может забрать часть энергии у небольшой струи воды. Это связано с высокой теплопроводностью металлов, которая заметна и в ситуации, когда язык прилипает к холодному металлу.
Однако ложка не устраняет резкий перепад температуры во всей стенке и не гарантирует, что банка останется целой. Особенно мало она помогает, если сосуд очень холодный, повреждённый или не предназначен для горячих жидкостей.
Как уменьшить риск термического удара
Самый надёжный способ – использовать сосуд, который производитель прямо разрешает заполнять горячей или кипящей жидкостью. Обычная банка для хранения продуктов не всегда обладает такой термостойкостью.
Риск уменьшается, если:
- не наливать кипяток в банку, только что вынутую из холодильника;
- прогревать сосуд постепенно сначала тёплой, затем более горячей водой;
- ставить его на сухую теплоизолирующую подставку, а не на холодный металл или камень;
- не использовать банки со сколами, царапинами и трещинами;
- избегать резкого охлаждения горячего стекла.
Температурный перепад важнее самой цифры на термометре. Для его оценки полезно различать абсолютную температуру и используемые шкалы, описанные в статье о шкалах Цельсия, Кельвина и Фаренгейта.
---
Банка лопается не потому, что кипяток растворяет или размягчает стекло. Причина в том, что разные участки стенки нагреваются и расширяются с разной скоростью. Возникающее напряжение находит слабое место, после чего трещина быстро проходит через хрупкий материал.
