熾熱的玻璃似乎違背了焦耳第一定律

科學家們在擺弄電流和硅酸鹽玻璃時發現，玻璃似乎違反了基本的物理定律。他們為此驚訝不已。

當電流通過介質時，焦耳第一定律描述了電流產生熱量的方式。歷史上經過反覆的實驗，當材料均勻時，溫度也始終均勻分布。

但在最近的實驗里，一段——只有一段——硅酸鹽玻璃變得特別熾熱，以至於開始融化，甚至蒸發。而且，它那時的溫度比自身的沸點低得多。

純硅酸鹽玻璃的沸點為2230攝氏度。研究人員在實驗過程中記錄的最高溫度為1868.7攝氏度。

利哈伊大學的工程師兼材料科學家Himanshu Jain說：「計算結果無法用簡單的焦耳加熱過程來解釋。即使在非常理想的條件下，我們所觀察到的玻璃氣化也要比焦耳定律所預言的高出數千度！」

來自材料科學公司康寧公司的Jain和他的同事們正在研究之前一篇論文中所描述的現象。2015年，他們報告說，電場可以將玻璃融化的溫度降低幾百度。他們稱之為「電場引起的軟化」。

這肯定是一種奇特的現象，所以他們又設計了另一個實驗。他們將玻璃碎片放入加熱爐中，並以交流電和直流電的形式施加100至200伏電壓。

接下來，在輸送電流的陽極與玻璃接觸的位置升起一縷淡淡的蒸汽。

「在我們的實驗中，正極附近的玻璃溫度比其他部分的溫度高出一千攝氏度以上，考慮到開始時玻璃完全均勻，這非常令人驚訝。」Jain說。

它似乎違反了焦耳第一定律，因此團隊進行了更慎重的調查，並發現玻璃不再均勻。電場改變了正極附近納米級尺度內玻璃的化學性質和結構。

該區域比其餘部分加熱更快，達到熱失控的程度——溫度升高進一步增加了反饋迴路中的溫度。

事實證明，一點處的結構變化和劇烈熱量導致這一小塊玻璃達到了熔點，而其餘材料則保持固態。

「與導電金屬和半導體不同，隨著時間的推移，加熱的離子導電玻璃變得非常不均勻，形成納米級陽極鹼耗區域，使得玻璃在陽極附近熔化，甚至蒸發，同時在其他地方保持固體，」研究人員在論文中寫道。

換句話說，材料不再是均質的，這意味著玻璃加熱實驗並沒有完全違背焦耳第一定律。

但這是一個令人興奮的結果，因為以前我們還不知道材料實際上會因施加電流而失去其均勻性。(之前沒有人嘗試過將玻璃通電加熱到極端的溫度。)

所以宇宙再次變得安全，不至於因一小塊碎玻璃而失靈。

「除了嚴重理論外，」Jain說，「該結果對於開發玻璃和陶瓷材料新的製造工藝至關重要。」

論文已發表在Scientific Reports。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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