玻璃到底是固體還是液體?

時間 2021-05-11 13:38:55

1樓:長夏

關於這個問題的回答很多,而我想說的是,用傳統的固液氣三分法來劃分物質的狀態是相對簡單的,不適合用來嚴格物理定義某種物質。

在很多答主的回答中,把玻璃描述成一種粘稠度極高的液體,而有些答主卻會回答是一種獨特的玻璃態。這樣首先需要明確的就是什麼是固體,什麼是液體?不同的人也會對此給出不一樣的定義,並且有趣的是,這些定義同樣存在著非常多的裂縫,諸如等離子態、。

所以這個問題並不能給出乙個很好的回答,一方面乙個偏離常識的固液氣定義是不具有什麼意義的,完全可以用晶體等更嚴格的物質結構角度上的定義取代;另一方面隨著人對玻璃這一物質以及各種其它物質研究的深入,我們也會發現一些不同於以往認知的性質。

當然硬讓我選,我還是認為玻璃常溫常壓下是固體。畢竟把一種幾乎完全不流動的液體看成固體也不算什麼大問題。

2樓:聚玻網

從加工這個角度來講,其實,玻璃算是液體,因為把原材料放入玻璃窖爐中燒,形成玻璃溶液後,到真正的玻璃原片,還有乙個過程,那就是冷卻,或者叫成型,也就是說沒有冷卻或成型這一步,玻璃其實就是液體,加工後續的工作都是在其固化成型後的事情了。

3樓:一碗咕咪醬

查閱並翻譯了一下研究這個的國外發表的文獻。(一些專業詞彙可能會有翻譯不到位的地方23333)

先把結論放前面:

「玻璃是固體還是液體?」這個問題沒有明確的答案。從分子動力學和熱力學的角度來看,有可能證明它是一種高粘性液體,一種非晶態固體,或者簡單地說,玻璃是另一種既不是液體也不是固體的物質狀態。

區別在於語義。就它的材料效能而言,我們幾乎不能做得更好。固體和高粘液體之間沒有明確的區別。

所有這些物質的相或狀態都是真實物質屬性的理想化。然而,從乙個更普通的角度來看,玻璃應該被認為是固體,因為它是剛性的根據日常經驗。使用「過冷液體」來描述玻璃仍然存在,但許多人認為這是乙個應該避免的不幸的誤稱。

無論如何,聲稱舊窗戶的玻璃由於玻璃的流動而變形的說法從未得到證實。羅馬玻璃器皿的例子和基於玻璃粘度特性測量的計算表明,這些說法不可能是真的。由於在浮法玻璃工藝發明之前用於製造玻璃窗玻璃的方法不完善,所觀察到的特徵更容易解釋。

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在非常古老的教堂裡,人們常常說,玻璃底部比頂部厚,因為玻璃是一種液體。幾個世紀以來,玻璃一直在流向底部。其實不是這樣。

中世紀的玻璃常採用冠玻璃工藝製作。一塊熔化的玻璃經過碾壓、吹製、膨脹、壓平,最後旋轉成乙個圓盤,最後被切割成玻璃。金屬板在靠近閥瓣邊緣的地方較厚,通常安裝在底部較厚的一側。

人們還使用了其他的玻璃成型技術,但只有相對較新的浮法玻璃工藝才能生產出高質量的平板玻璃。

要回答「玻璃是液體還是固體」這個問題,我們必須了解它的熱力學和材料性質。、

許多固體在微觀尺度上具有晶體結構。分子排列成規則的晶格。當固體受熱時,分子在晶格中的位置發生振動,直到熔點時,晶體分解,分子開始流動。

固體和液體的狀態之間有乙個明顯的區別,這是由一階相變分開的,即材料的性質,如密度的不連續變化。凍結的標誌是釋放熱量,稱為熔化熱。

晶體中的分子排列

液體有粘度,這是一種測量液體流動阻力的方法。水在室溫下的粘度約為0.01 poises。

一種稠的油可能有1.0左右的粘度。當液體冷卻時,其粘度通常會增加,但粘度也有防止結晶的傾向。

通常,當液體冷卻到低於其熔點時,就會形成晶體並凝固;但有時它會變得過冷,並在熔點以下保持液態,因為沒有晶核來引發結晶。如果在進一步冷卻時粘度上公升足夠多,它可能永遠不會結晶。粘稠度迅速而連續地上公升,形成濃稠的糖漿,最終形成無定形固體。

分子的排列是無序的,但有足夠的內聚力來保持一定的剛性。在這種狀態下,它通常被稱為非晶固體或玻璃。

玻璃中的分子排列

有些人認為玻璃實際上是一種過冷的液體,因為它冷卻時不存在一級相變。事實上,在過冷的液態和玻璃態之間有乙個二階轉變,所以仍然可以區分。這種轉變不像從液體到晶體固體的相變那麼劇烈。

沒有密度的不連續變化,也沒有熔化潛熱。這種轉變可以被檢測為材料熱膨脹率和熱容的顯著變化。

發生玻璃化轉變的溫度可以根據材料冷卻的速度而變化。如果它慢慢冷卻,它會有更長的時間來放鬆,轉變發生在乙個較低的溫度和形成的玻璃更密集。如果它冷卻得非常慢,它就會結晶,所以玻璃化轉變溫度有乙個最小限度。

密度是溫度的函式在玻璃材料的階段

從液體到晶體的轉變是熱力學的;也就是說,當低於熔點時,晶體在能量上比液體更有利。玻璃化轉變純粹是動力學的:也就是說,無序的玻璃態沒有足夠的動能來克服分子相互運動所需的勢能障礙。

玻璃分子呈現出一種固定但無序的排列。玻璃和過冷液體都是亞穩態相,而不是像結晶固體那樣的真正的熱力學相。原則上,玻璃在任何時候都可以自發地轉變成晶體。

有時舊玻璃如果有雜質,就會這樣分解。

分子物理學層面的情況可以概括為三種主要的分子排列:

晶體:分子排列在規則的晶格中

流體:分子是無序的,沒有剛性結合。

玻璃:分子是無序的,但被剛性束縛。

為了說明這種分類是不完整的,最近科學家們成功地製造出了準週期的準晶體。它們不符合上述方案,有時被描述為介於晶體和玻璃之間。

如果我們能得出這樣的結論,即玻璃態材料在玻璃化轉變過程中從過冷液體變為非晶固體,那將是很方便的,但這很難證明。橡膠等聚合材料在低溫下表現出明顯的玻璃化轉變,但通常認為在玻璃和橡膠條件下都是固體。

因此,有時有人說,玻璃既不是液體,也不是固體。它的結構與液體和固體性質截然不同。並不是每個人都同意這個術語。

通常當人們談論固體和液體時,他們指的是物質的巨集觀性質而不是分子的排列。畢竟,玻璃作為一種材料,早在其分子物理學被了解之前就為人所知。巨集觀上,材料表現出非常廣泛的行為。

固體、液體和氣體是具有壓縮性、粘度、彈性、強度和硬度等特性的理想行為。但材料並不總是按照這樣的理想執行。例如,有可能使水在高壓下從液體變成氣體而不經過相變;所以在某個階段它一定在理想液體和理想氣體之間。

對於晶體物質來說,固態和液態的區別非常明顯,但是玻璃呢?事實上,聚合物、凝膠、泡沫、液晶、粉末和膠體在這幅圖中處於什麼位置呢?有些人說固體和液體在一般情況下沒有明顯的區別。

他們聲稱,固體應該被定義為具有很高粘度的液體。他們設定了乙個任意的界限,超過1013個點,他們說它是固體,低於1013個點,它是液體。

根據另一種觀點,這忽略了液體的粘度和固體的可塑性之間的區別。理想的牛頓液體的變形速率與施加的應力及其粘度成正比。對於任意小的應力,粘性液體會流動。

糖漿、松脂和橡皮泥都是粘度很高的液體,它們在自身重量的作用下流動得很慢。另一方面,塑料可能很軟,但仍被認為是固體,因為它們具有剛性,不流動。

當施加小應力時,固體是有彈性的。它們會變形,但當應力消除後又會恢復到原來的形狀。當施加較高的應力時,一些固體會破裂,而另一些則表現出塑性。

可塑性是指當應力消除時,它們會變形,不會恢復到原來的形狀。包括銅等金屬在內的許多物質都具有可塑性。塑性變形下的流動阻力稱為粘塑性。

這就像粘度,除了有乙個最小應力稱為彈性極限,低於這個極限就沒有塑性。具有可塑性的材料不會流動,但它們可能會蠕變,這意味著它們會緩慢變形,但只有在恆定的壓力下才能變形。

所以任意測量粘度或粘塑性並不是區分固體和液體的好方法。另一種定義固體和液體的區別的方法是,如果產生永久變形所需要的最小剪應力,那麼它就是固體。這是一種精確的說法它有一些剛性。

液體可以被定義為一種會流動的物質。如果把它放在容器裡,它最終會流到下游,直到它自己的表面是平的。困難的是這兩個定義並不能涵蓋所有的情況。

有些物質具有有限的流動,稱為粘彈性。材料在應力作用下會發生彈性變形。如果應力長期保持,即使應力很小,變形也會成為永久性的。

具有粘彈性的物質可能在一段時間內流動緩慢,然後停止流動。在這種情況下,試圖明確區分液體和固體是徒勞的。

為了確保舊窗戶的玻璃沒有流動,我們需要認識到不同玻璃的不同特性。玻璃可以由純二氧化矽製成,但熔融二氧化矽在1200℃左右有很高的玻璃轉變點,這使得它很難模壓成窗格或瓶子。至少在2023年前,人們就學會了如何通過在加熱前加入石灰和蘇打來降低軟化溫度,從而使玻璃中含有鈉和氧化鈣。

今天用於窗戶和瓶子的鈉鈣玻璃也含有其他氧化物。測量不同玻璃的玻璃轉變溫度並不容易,因為它是根據玻璃冷卻的速度而變化的。在現代鹼石灰玻璃的情況下,快速冷卻將產生乙個玻璃化轉變在550°C被認為是最小的玻璃化轉變溫度約為270°C,如果是非常緩慢冷卻它仍然可以過冷液體略高於這個溫度。

玻璃,如耐熱玻璃(用於試管和烤箱)通常是基於硼矽酸鹽或鋁矽酸鹽,它們能更好地承受加熱,通常具有更高的玻璃轉變溫度。有些玻璃,如含鉛玻璃,轉變溫度較低。

有時人們說,玻璃不流動的有力證據是由望遠鏡鏡片提供的,150年後它們仍然保持著良好的光學質量。他們會被最輕微的變形破壞。事實上,光學玻璃通常與用在窗戶和瓶子上的玻璃是不同的。

它可能是基於硼矽酸鹽或鈉鈣玻璃與其他金屬氧化物新增,以改善其熱和光學效能。因此,舊的望遠鏡鏡頭和鏡子提供了很好的證據,證明一些玻璃不會流動,但很少有證據支援舊窗戶的玻璃沒有流動的說法。另乙個例子是石器時代由黑曜石製成的箭頭,黑曜石是一種天然玻璃。

人們發現,經過數萬年之後,這些玻璃仍然鋒利無比,但同樣,這種玻璃主要是矽和鋁矽酸鹽,比窗玻璃堅硬得多。

要獲得玻璃沒有在舊窗戶裡流動的確鑿證據,我們必須研究最古老的例子。早期用於製造瓶子和窗戶的玻璃通常是在矽酸鹽中加入蘇打和石灰形成的。有時還會加入碳酸鉀。

通常會有其他雜質使它比現代的鈉鈣玻璃更軟。其他化合物經常被新增到顏色或改善其性質。公元1世紀時,羅馬人就在製造這類玻璃製品,儘管非常精緻,但仍有一些儲存下來——比如大英博物館收藏的精心裝飾的波特蘭花瓶。

羅馬的玻璃器皿提供了一些最好的證據,證明鈉鈣玻璃是不流動的,即使是在近2023年後。現存最古老的彩色玻璃窗從12世紀就開始了。其中最古老的是德國奧格斯堡大教堂的五尊雕像,它們的歷史可以追溯到2023年到2023年之間。

在法國和英國還發現了許多其他早期的例子,包括巨集偉的北玫瑰視窗的巴黎聖母院,它可以追溯到2023年。

許多人(尤其是導遊)聲稱,這種玻璃之所以變形,是因為幾個世紀以來,這種玻璃一直在緩慢流動。這已成為乙個長期存在的神話,但仔細觀察就會發現,流動的特徵跡象,如流動的周圍,和流出的框架,並不存在。這種變形與當時製造玻璃的方法的缺陷更為一致。

在某些情況下,玻璃窗格和它們的框架之間會出現縫隙,但這是由於鉛框架而不是玻璃的變形造成的。其他一些老房子窗戶上的漣漪也可以解釋,因為在浮法玻璃工藝投入使用之前,玻璃在滾動過程中被壓扁了。

很難絕對肯定地證實沒有玻璃流的例子存在,因為幾乎總是沒有原始狀態的記錄。在極少數情況下,染色玻璃窗被發現含有鉛,這將降低粘度,使他們更重。這些例子會在自身的重量下變形嗎?

只有仔細研究和分析才能回答這個問題。康寧玻璃博物館(Corning glass museum)的羅伯特·布里爾(Robert Brill)研究古董玻璃已有30多年。他研究了許多老建築的玻璃樣品,測量了它們的材料效能和化學成分。

他對玻璃流的神話特別感興趣,總是尋找支援和反對的證據。在他看來,認為中世紀彩色玻璃窗上的玻璃已經流走了幾個世紀的觀點是不正確的,他說,舊窗戶上的下垂和波紋的例子也很可能是製造過程造成的物理特徵。其他做過類似研究的專家也表示同意。

根據測定的玻璃粘度進行的理論分析表明,即使經過許多世紀,玻璃也不會發生顯著的變形,而且在玻璃的變形型別和它的生產方式之間存在著明顯的聯絡。

「玻璃是固體還是液體?」這個問題沒有明確的答案。從分子動力學和熱力學的角度來看,有可能證明它是一種高粘性液體,一種非晶態固體,或者簡單地說,玻璃是另一種既不是液體也不是固體的物質狀態。

區別在於語義。就它的材料效能而言,我們幾乎不能做得更好。固體和高粘液體之間沒有明確的區別。

所有這些物質的相或狀態都是真實物質屬性的理想化。然而,從乙個更普通的角度來看,玻璃應該被認為是固體,因為它是剛性的根據日常經驗。使用「過冷液體」來描述玻璃仍然存在,但許多人認為這是乙個應該避免的不幸的誤稱。

無論如何,聲稱舊窗戶的玻璃由於玻璃的流動而變形的說法從未得到證實。羅馬玻璃器皿的例子和基於玻璃粘度特性測量的計算表明,這些說法不可能是真的。由於在浮法玻璃工藝發明之前用於製造玻璃窗玻璃的方法不完善,所觀察到的特徵更容易解釋。

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