@ 2019.03.21 , 12:00

炽热的玻璃似乎违背了焦耳第一定律

科学家们在摆弄电流和硅酸盐玻璃时发现,玻璃似乎违反了基本的物理定律。他们为此惊讶不已。

当电流通过介质时,焦耳第一定律描述了电流产生热量的方式。历史上经过反复的实验,当材料均匀时,温度也始终均匀分布。

但在最近的实验里,一段——只有一段——硅酸盐玻璃变得特别炽热,以至于开始融化,甚至蒸发。而且,它那时的温度比自身的沸点低得多。

纯硅酸盐玻璃的沸点为2230摄氏度。研究人员在实验过程中记录的最高温度为1868.7摄氏度。

利哈伊大学的工程师兼材料科学家Himanshu Jain说:“计算结果无法用简单的焦耳加热过程来解释。即使在非常理想的条件下,我们所观察到的玻璃气化也要比焦耳定律所预言的高出数千度!”

来自材料科学公司康宁公司的Jain和他的同事们正在研究之前一篇论文中所描述的现象。2015年,他们报告说,电场可以将玻璃融化的温度降低几百度。他们称之为“电场引起的软化”。

这肯定是一种奇特的现象,所以他们又设计了另一个实验。他们将玻璃碎片放入加热炉中,并以交流电和直流电的形式施加100至200伏电压。

接下来,在输送电流的阳极与玻璃接触的位置升起一缕淡淡的蒸汽。

“在我们的实验中,正极附近的玻璃温度比其他部分的温度高出一千摄氏度以上,考虑到开始时玻璃完全均匀,这非常令人惊讶。”Jain说。

它似乎违反了焦耳第一定律,因此团队进行了更慎重的调查,并发现玻璃不再均匀。电场改变了正极附近纳米级尺度内玻璃的化学性质和结构。

该区域比其余部分加热更快,达到热失控的程度——温度升高进一步增加了反馈回路中的温度。

事实证明,一点处的结构变化和剧烈热量导致这一小块玻璃达到了熔点,而其余材料则保持固态。

“与导电金属和半导体不同,随着时间的推移,加热的离子导电玻璃变得非常不均匀,形成纳米级阳极碱耗区域,使得玻璃在阳极附近熔化,甚至蒸发,同时在其他地方保持固体,”研究人员在论文中写道。

换句话说,材料不再是均质的,这意味着玻璃加热实验并没有完全违背焦耳第一定律。

但这是一个令人兴奋的结果,因为以前我们还不知道材料实际上会因施加电流而失去其均匀性。(之前没有人尝试过将玻璃通电加热到极端的温度。)

所以宇宙再次变得安全,不至于因一小块碎玻璃而失灵。

“除了验证理论外,”Jain说,“该结果对于开发玻璃和陶瓷材料新的制造工艺至关重要。”

论文已发表在Scientific Reports。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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