Sklo se nemělo vařit. Ale udělal to.
Tým fyziků zapnul malé kostky skla v peci elektrickým napětím o tom, co byste dostali z zásuvky ve vašem domě. Stačilo na to, aby se sklo zahřálo dost elektřiny, které bylo již docela teplo z okolního tepla pece. Ale nemělo to stačit na to, aby se vařilo sklo. Sklo se nevaří, dokud nedosáhne teplot tisíce stupňů nad tím, co by měl proud produkovat. A přesto v jejich peci, když proud proudil a vytvořil elektrické pole, fyzikové viděli ze vzorku skla stoupat tenký „pramínek páry“.
Aby k tomu došlo, musel by se elektrický proud soustředit v jedné části skla a dodávat svou energii nerovnoměrně. Ale je tu problém: To je v rozporu se zákonem.
Zde je řešení: Když elektrický proud prochází jednotným materiálem, měl by celý materiál rovnoměrně zahřívat. Vědci nazývají tento Jouleův první zákon poté, co jej britský chemik James Prescott Joule objevil na počátku 40. let 20. století. Je to hmotný fakt, který má kořeny v zákoně zachování energie, jedno z nejzákladnějších pravidel, kterými se řídí náš vesmír. A my to vidíme každý den v práci; žárovky by bez Jouleho zákona v práci neměly své hezké, dokonce záře.
Zdálo se však, že tento proud porušuje zákon. Nejen, že z některých částí skla stoupala pára, ale ohnivý bod (viditelný na infračervené kameře) tancoval závratně přes jeho povrch. Ve svých experimentech se znovu a znovu objevovaly aktivní body.
"Toto sklo je jednotné na minutové úrovni," Himanshu Jain, materiálový vědec na Lehigh University v Betlémě v Pensylvánii, a spoluautor příspěvku popisujícího tento jev zveřejněný 26. února v časopise Nature Scientific Reports.
Sklo je izolátor a nese dobře proud; jakkoli malý, očekává se, že převede většinu tohoto proudu na teplo. Konvenční přemýšlení o Joulově prvním zákoně by předpovědělo, že elektrický proud bude sklo rovnoměrně zahřívat, což způsobí jeho pomalé roztavení a deformaci, řekl Jain Live Science. A za většiny okolností se to přesně děje.
"Podívali jsme se na změkčení horkého skla pod elektrickým polem," řekla Jain, "a to je to, co nikdo předtím neudělal."
Ukázalo se, že nerovnoměrné zahřívání odhazuje spoustu energie poblíž anody ve skle, což je vstupní bod pro proud. Sklo se tam topilo a odpařovalo, i když zůstalo tuhé jinde. Teploty v hotspotech byly mnohem horší než ve zbytku skla. V jednom bodě byla jediná oblast skla zahřátá na přibližně 1 400 ° C (1 400 ° C) za méně než 30 sekund.
Takže byl porušen Jouleův zákon? Ano a ne, řekl Jain; Makroskopicky se to zdálo. Mikroskopicky řečeno, odpověď by byla „ne“ - prostě se už nevztahuje na sklo jako celek.
Podle Jouleova prvního zákona by jednotné elektrické pole mělo materiál zahřívat rovnoměrně. Při vysokých teplotách však elektrické pole sklo nejen nezahřívá, ale mění své chemické složení.
Elektrická pole se pohybují sklem, když se kladně nabité ionty (atomy zbavené negativně nabitých elektronů) dostanou z polohy a nesou náboj přes sklo, řekl Jain. Nejlehčí ionty se pohybují první a nesou elektrický proud.
Sklo v tomto uspořádání bylo vyrobeno z kyslíku, sodíku a křemíku. Sodík, volně vázaný lehký ion, dělal většinu přenosu energie. Jakmile se dost sodíku posunulo, změnilo chemické složení skla v blízkosti anody. A jakmile se chemie změnila, sklo bylo spíš jako dva různé materiály a Jouleův zákon se již nepoužíval jednotně. Vytvořil se hotspot.
Nikdo si toho účinku nevšiml, řekl Jain, pravděpodobně proto, že se nezačne kopat, dokud nebude sklenice už docela horká. Materiál v tomto experimentu nevyvíjel hotspoty, dokud pec nedosáhla 316 ° C. To pro sklo není příliš horké, ale je to mnohem teplejší než podmínky, za kterých většina elektrických strojů pracuje se sklem a elektřinou.
Prozatím však vědci přišli na to, proč sklo vaří, když by to nemělo. A to je samo o sobě docela vzrušující.
Poznámka editora: Tento článek byl aktualizován, aby naznačoval, že Jouleův zákon byl porušen z jedné perspektivy, ale ne z druhé, a také kvůli opravě chemického složení skla.
