できたばかりのガラスを急に冷やすと、見た目は固まっても内部にひずみが残る場合があります。ガラス製品の製造でゆっくり冷ます徐冷は、ただ作業を遅くすることではありません。表面と内部が違う温度で変化することを考えると、その意味が分かります。中学入試の資料では、全体の平均温度だけでなく、場所ごとの温度差に注目しましょう。
表面から先に温度が下がる
熱いガラスの表面が冷たい空気へ触れると、外側から熱が逃げます。内部まで同じ速さで冷えるとは限りません。場所によって縮もうとする量が違うと、互いに妨げ合うことで応力が生じます。十分な時間をかけて適切な温度域で処理する徐冷は、こうした内部の状態を整えるために行われます。具体的な温度や時間はガラスの種類や厚さで異なります。
透明に見えることは、内部に応力がない証拠ではありません。また、温度計一個が室温を示しても、その前にどのような温度履歴をたどったかは分かりません。同じ最終温度の二つの製品が、同じ内部状態とは限らないのです。以下の表は、徐冷の製造条件を指定するものではなく、温度差の読み方を学ぶ模型です。
例題1｜平均が同じでも温度差が違う
ある時刻の模型で、試料Aの表面は100℃、中心は200℃でした。試料Bは表面140℃、中心160℃です。表面と中心の二点を同じ重みで平均した温度と、二点の差をそれぞれ求めましょう。
答え・解説：AもBも平均は150℃です。差はAが100℃、Bが20℃。二点平均が等しくても、内部の温度分布は異なります。この二点平均は試料全体の真の平均温度を保証するものではありません。表面と中心の間にも温度が分布しているためです。
例題2｜冷却速度を区間ごとに読む
模型の中心温度が、初め300℃、10分後240℃、30分後180℃でした。初めの10分と、その後の20分について、一分当たりの平均の温度低下を求めましょう。
答え・解説：初めは60÷10＝6℃毎分、次は60÷20＝3℃毎分です。二つとも60℃下がっていますが、かかった時間が違います。この二つの平均から、各瞬間に一定の速さで冷えたとは言えません。区間内の細かな変化には、もっと短い間隔の記録が必要です。
厚い部分と薄い部分を比べる
厚い製品と薄い製品では、内部から表面へ熱が伝わる距離や、体積に対する表面積が違います。だからといって厚さ二倍なら冷却時間も必ず二倍、と比例で決めることはできません。容器の形、周囲の温度、接触している台なども関係します。問題に冷却曲線があれば、まずその資料から必要な時間を読みます。
片側だけが冷たい台へ接している場合は、上下の温度差も生じます。表面対中心という二点だけでは、全ての偏りを表せないことがあります。どの位置の温度計かを断面図へ書き込み、計測点の外側について勝手に一様と決めないようにします。図の点が増えるほど、温度分布を詳しく考える材料が増えます。
徐冷と強化処理を同じにしない
ガラスには、意図的に内部の応力分布を利用する強化処理もあります。したがって「急冷したガラスは全て同じ性質」「応力は全て取り除けばよい」という言い方は適切ではありません。ここでの対象は、形を作ったガラスの徐冷です。製品の目的と処理の方法を分け、一般名だけで強さを決めないことが大切です。
割れた試料と割れなかった試料を比べる場合も、目に見えない傷や、支え方の違いが影響する場合があります。温度差が大きい群で割れが増えたとしても、一個の破損を温度差だけで説明したとは限りません。複数の試料をそろえて比べることと、一本の曲線を精密に読むことは、別々の役割を持ちます。
熱を加えて形を変えられることは、通常の温度で窓ガラスが目に見えて流れていることを意味しません。高温での加工と日常の固体の性質を混ぜず、温度条件を必ず添えます。ガラスという身近な材料は、透明だから中の状態も分かるように感じますが、実際には測定が必要です。最終温度、温度差、温度の変化速度を三つの量として分けて読むことが、この記事の中心です。
冷却曲線の横軸は、線の傾きと一緒に見る
温度のグラフを読むとき、急に下がって見える線だけで冷却の速さを決めないようにします。横軸の一目盛りが一分なのか十分なのかで、同じ傾きに見えても意味が変わります。二つのグラフを別々の図として並べた資料なら、縦軸の温度幅もそろっているか確認します。例題の平均低下速度は、下がった温度を、その区間にかかった時間で割って求めています。
「三十分で百二十度下がったから、途中の十分でも四十度下がった」とは言えません。全区間を平均した毎分四度という値は、途中も同じ速度だったという情報ではないからです。例題では最初の十分で六十度下がった記録があるので、全体の平均をそのまま途中へ当てはめると、実測の記録と食い違います。折れ線の折れ曲がりを、計算のために勝手に直線へ直さないことが大切です。
徐冷を考える際には、中心の温度が下がる速さと、表面・中心の温度差も別々に追います。中心があまり冷えていないから温度差も小さい、とは限りません。表面だけ急に冷えていれば差は大きくなります。二本の曲線がある図では、同じ時刻の縦線上で上下の差を読むと、場所による違いを取り出せます。一本の曲線に沿って時間の前後を比べる操作とは異なります。
ガラスの問題を解くために製造温度を暗記する必要はありません。どの場所を測った値か、その時刻に別の場所は何度か、何分間で何度変わったか。この三つを図に書き足すことで、平均温度だけでは見えない内部の偏りを説明できます。透明な材料でも、見た目だけでは分からない状態があることを、数値の資料から確かめる題材です。