Quando o vidro congela, ele freqüentemente quebra. Por quê?

3 semanas ago
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Quando o vidro congela, ele freqüentemente quebra. Por quê?

O vidro é um isolante; portanto, quando o vidro experimenta mudanças rápidas de temperatura, um lado encolhe mais rápido que o outro, levando-o a rachar.

Alguns dias atrás, coloquei uma garrafa de água no freezer para que a água esfriasse rapidamente. Como esperado, eu esqueci prontamente que o fiz. Quando abri o freezer no dia seguinte, descobri que a água tinha virado gelo (um resultado esperado) e a garrafa e estava quebrada (resultado inesperado)! Assim, a pergunta do meu dia … por que o vidro quebrou?

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Para responder a isso, precisamos entender o equilíbrio térmico e o vidro como um condutor de calor. Então … vamos mergulhar!

Equilíbrio térmico

Energia térmica é a energia ligada à temperatura de um objeto ou sistema. Ao falar sobre calor, estamos nos referindo à transferência de energia térmica de um objeto para outro. O calor é transferido por condução, convecção ou radiação. Em termos gerais, as leis relacionadas à troca (e mudança de uma forma para outra) de energia térmica são chamadas de Leis da Termodinâmica. Essas leis regem nosso entendimento das mudanças de temperatura em qualquer sistema.

Lei Zeroth da Termodinâmica (Fouad A. Saad) s

A Lei Zeroth da Termodinâmica (Crédito da foto: Fouad A. Saad / Shutterstock)

À luz da nossa pergunta, a lei que é mais relevante é a Lei Zeroth da Termodinâmica. Esta lei afirma essencialmente que “quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, então eles têm igualdade de temperatura”. Isso implica que, quando sistemas em diferentes temperaturas estiverem em contato, eles atingirão um ponto de equilíbrio térmico ao longo do tempo. Esta lei é o que forma a base dos termômetros! Para entender isso melhor, vamos definir e entender melhor o que é equilíbrio térmico.

Diagrama de transferência de calor (OSweetNature) s

Dois objetos atingindo o equilíbrio térmico (Crédito da foto: OSweetNature / Shutterstock)

No mais simples dos termos, quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, eles estão em contato um com o outro e a temperaturas iguais. Portanto, se um dos corpos estiver mais quente que o outro, ele perderá calor no corpo mais frio até que os dois estejam em uma temperatura igual.

Como o vidro muda devido a mudanças de temperatura?

Os sólidos têm três tipos de estruturas; cristalino, policristalino ou amorfo. Um sólido amorfo é um material que não possui uma ordem uniforme em sua estrutura. Um sólido cristalino é perfeitamente ordenado.

Enquanto um sólido policristalino são aqueles que possuem vários materiais cristalinos diferentes, em orientações diferentes, compreendidos dentro do mesmo sólido. O vidro é um material cerâmico e é encontrado em muitas composições diferentes de diferentes sólidos amorfos. O vidro geralmente é feito em grande parte de sílica. A sílica existe em dois tipos de estados, cristalino e amorfo.

O tipo de sílica usado na fabricação de vidro é o tipo amorfo ou não cristalino. O tipo mais comum de vidro é a cerâmica opticamente transparente feita de sílica amorfa ou dióxido de silício (SiO 2 ) e adicionada aproximadamente 30% ( fonte ) de óxido de sódio (NaO), cal (CaO) e magnésia (MgO). se um objeto é fornecido com calor, ele se expande em volume, enquanto diminui quando perde calor. O vidro também reage dessa maneira quando sofre alterações de temperatura.

O estado sólido da matéria, diagrama amorfo policristalino cristalino, estrutura cristalina (Nasky) s

Uma representação das três estruturas sólidas (Crédito da foto: Nasky / Shutterstock)

O calor, como a eletricidade, possui condutores bons e ruins. O vidro é um péssimo condutor de calor. Esta propriedade é devido à sua estrutura amorfa. Os átomos desordenados da cerâmica são incapazes de transferir energia térmica de maneira confiável. Devido às suas propriedades isolantes, uma peça mais espessa (como a de uma garrafa) é suficiente para causar uma discrepância de tamanho se as temperaturas forem diferentes em cada lado. Devido ao vidro ser um mau condutor de calor, os dois lados levarão mais tempo para atingir um estado de equilíbrio térmico.

Por que o vidro quebra?

Uma garrafa de cerveja congelada depois de estourar (Tim Pieloth) s

Uma garrafa de vidro quebrado (Crédito da foto: Tim Pieloth / Shutterstock)

Objetos de vidro, devido a essas propriedades termodinâmicas, são suscetíveis à quebra quando expostos a mudanças rápidas de temperatura. O calor deve ser trocado através de um meio.

Em nossa pergunta, os dois objetos são ar frio e o próprio vidro. O ar frio atua como o meio através do qual o calor é perdido. O ar congelado entra em contato com um lado do vidro primeiro e esse lado perde rapidamente o calor, diminuindo consequentemente. O contraste de temperatura existe porque os dois lados do vidro são incapazes de atingir um estado de equilíbrio térmico com o ar congelado, como discutimos anteriormente.

Assim, quando o calor é perdido de um lado do vidro, o outro lado é comparativamente mais quente e, portanto, mais expandido. Esse contraste na expansão faz com que o vidro se quebre ou quebre.

Referências:

  1. Universidade Global de Londres
  2. Universidade de Notre Dame
  3. LibreTexts
  4. DoITPoMS
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