Kenapa Kaca Boleh Pecah Apabila Suhu Berubah Mendadak?

Kaca mengembang apabila dipanaskan dan mengecut apabila disejukkan. Jika suhu seluruh objek kaca berubah secara perlahan dan hampir seragam, bahagian-bahagiannya boleh mengembang atau mengecut bersama. Masalah lebih mudah timbul apabila suhu satu bahagian berubah jauh lebih cepat daripada bahagian lain.

Nota Istilahtegasan terma: Tegasan mekanikal yang boleh timbul apabila perubahan suhu menyebabkan bahagian bahan cuba mengembang atau mengecut secara berbeza.

Daripada perbezaan suhu kepada tegasan

Bayangkan bekas kaca panas yang terkena air yang jauh lebih sejuk. Permukaan yang bersentuhan dengan air boleh menyejuk dan cuba mengecut terlebih dahulu, sedangkan bahagian dalam masih lebih panas. Oleh sebab bahagian-bahagian kaca itu bersambung, pengecutan bebas menjadi terhalang. Keadaan ini menghasilkan tegasan dalam bahan.

Apabila suhu berubah secara tidak seragam, bahagian kaca cuba mengembang atau mengecut secara berbeza. Kekangan antara bahagian boleh menghasilkan tegasan terma. Jika tegasan pada kecacatan cukup tinggi, retak boleh merambat. Rajah skematik; corak retak sebenar bergantung pada bahan, bentuk dan kecacatan.

Mengapa retak kecil penting?

Kaca ialah bahan rapuh. Calar, liang atau retak mikroskopik boleh menumpukan tegasan pada hujung kecacatan. Apabila tegasan setempat menjadi cukup besar berbanding ketahanan patah kaca, retak boleh membesar dengan cepat. Sebab itu, dua objek kaca yang kelihatan serupa tidak semestinya pecah pada perubahan suhu yang sama.

Adakah semua kaca sama?

Tidak. Rintangan terhadap kejutan terma dipengaruhi oleh pekali pengembangan terma, kekonduksian haba, ketebalan, bentuk, keadaan permukaan, sejarah pemprosesan dan ketahanan patah bahan. Kaca yang direka untuk menghadapi perubahan suhu boleh mempunyai komposisi atau rawatan yang mengurangkan risiko, tetapi tiada objek kaca patut dianggap kebal terhadap semua kejutan suhu.

Bukan Satu Suhu AjaibTiada satu perbezaan suhu universal yang pasti memecahkan semua kaca. Risiko bergantung pada jenis kaca, geometri, kecacatan, kadar pemanasan atau penyejukan dan cara haba dipindahkan.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Objek kaca boleh kekal utuh apabila suhu berubah perlahan tetapi retak apabila dipanaskan atau disejukkan secara sangat tidak seragam. Retak sering bermula pada permukaan atau kecacatan tertentu.
Bukti
Eksperimen kejutan terma, pengukuran sifat terma dan analisis fraktografi menunjukkan bahawa kecerunan suhu menghasilkan tegasan. Ciri pada permukaan patah pula boleh membantu mengenal pasti tempat retak bermula dan cara retak itu merambat.
Inferens
Apabila lokasi permulaan retak dan keadaan tegasan sepadan dengan ramalan pemindahan haba serta mekanik patah, penyelidik menyimpulkan bahawa tegasan akibat perubahan suhu tidak seragam boleh mencetuskan kegagalan.
Model
Model ringkasnya: perubahan suhu cepat → kecerunan suhu dalam kaca → pengembangan atau pengecutan tidak seragam → tegasan terma → penumpuan tegasan pada kecacatan → retak merambat jika syarat patah dicapai.
Batasan
Model ringkas tidak dapat meramalkan dengan tepat masa setiap objek akan pecah. Keputusan sebenar bergantung pada taburan suhu tiga dimensi, jenis kaca, saiz dan orientasi kecacatan, geometri, rawatan permukaan serta tegasan sedia ada.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Mengapakah perubahan suhu mendadak boleh memecahkan kaca?