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熔融玻璃实验让科学家们大吃一惊

熔融玻璃似乎违背了焦耳第一定律

科学家们在研究电流和硅酸盐玻璃时发现,玻璃似乎违反了一个基本的物理定律。他们为此目瞪口呆。

如果你让电流通过一种材料,电流产生热量的方式可以用焦耳第一定律来描述。当材料是均匀的(或均匀的)时,温度总是均匀分布的。

但在最近的实验中却不是这样。一段——而且只有一段——硅酸盐玻璃变得非常热,以致于它熔化了,甚至蒸发了。而且,它是在比材料沸点低得多的温度下进行的。

纯硅酸盐玻璃的沸点为2,230摄氏度(4,046华氏度)。在实验过程中,研究人员在一块均匀的硅酸盐玻璃中记录的最高温度为1868.7摄氏度。

计算结果并不能解释我们所看到的简单的标准焦耳加热。

“即使在非常温和的条件下,我们观察到的玻璃烟雾也需要比焦耳定律预测的高数千度的温度!”

杰恩和他来自康宁公司的材料科学公司的同事们正在调查他们在之前的一篇论文中描述的一种现象。2015年,他们报告称,电场可以将玻璃软化的温度降低数百度。他们称之为“电场诱导软化”。

这确实是一个奇怪的现象,所以他们又做了一个实验。他们把玻璃片放在炉子里,以交流和直流的形式施加100到200伏的电压。

接下来,一缕薄薄的蒸汽从阳极与玻璃接触的地方散发出来。

贾恩说:“在我们的实验中,靠近正极的玻璃比其他玻璃要热一千多摄氏度,考虑到玻璃一开始就是完全均匀的,这非常令人惊讶。”

这似乎违背了焦耳第一定律,因此研究小组进行了更仔细的研究,发现玻璃并没有像开始时那样保持均匀。电场在纳米尺度上改变了玻璃的化学性质和结构,仅仅在靠近阳极的一小段。

这个区域比玻璃的其他部分加热得更快,达到热失控的程度——温度的升高进一步增加温度,形成一个起泡的反馈回路。

事实证明,这一结构变化和剧烈的热量导致一小块玻璃达到熔点,而其余材料保持固态。

研究人员在论文中写道:“与电子导电金属和半导体不同,随着时间的推移,离子导电玻璃的加热变得极不均匀,形成了一个纳米尺度的碱耗尽区,这样,玻璃在阳极附近融化,甚至蒸发,而在其他地方保持固态。”

换句话说,材料不再是均匀的了,这意味着玻璃加热实验并没有完全改变我们应用焦耳第一定律的方式。

但这是一个令人兴奋的结果,因为直到现在我们还不知道一种材料会随着电流的应用而失去它的均匀性。(问题是,此前没有人尝试过将玻璃电加热到如此极端的温度。)

所以宇宙的物理定律仍然是正确的,因为一块玻璃并没有打破它们。但是焦耳第一定律可能需要稍作调整才能考虑到这个影响。

当然,这是另一种理解,可以在其他方面帮助我们。

“除了证明有必要限定焦耳定律,”贾恩说,“研究结果对开发制造和制造玻璃和陶瓷材料的新技术至关重要。”

这项研究已发表在《科学报告》上。

sciencealert

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