안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
차가운 유리컵에 뜨거운 물을 갑자기 부으면 유리가 깨지는 현상은 유리의 독특한 원자 구조와 열전도 특성 때문에 일어납니다. 유리는 이산화규소 물질들이 불규칙하게 얽혀 있는 비결정성 고체 구조를 가지고 있습니다. 금속처럼 열을 빠르게 전달해 줄 자유 전자가 없기 때문에 기본적으로 열전도율이 매우 낮은 물질에 속합니다.
이 때문에 차가운 유리컵 안쪽 면에 뜨거운 물이 닿으면, 열을 직접 받은 안쪽 원자들만 에너지를 얻어 격렬하게 진동하며 부피가 늘어나는 열팽창을 시작합니다. 반면 유리의 낮은 열전도율로 인해 바깥쪽 면은 이 열을 미처 전달받지 못해 원래의 차가운 상태와 부피를 그대로 유지하게 됩니다.
이 순간 두께가 있는 유리 벽 내부에서는 심각한 불균형이 발생합니다. 안쪽 면은 급격하게 부피를 늘리며 바깥쪽을 밀어내려 하지만, 늘어나지 않은 바깥쪽 면은 이를 단단히 붙잡으며 저항합니다. 이로 인해 유리의 안팎 사이에 서로를 밀고 당기는 거대한 물리적 응력이 형성됩니다.
유리는 금속처럼 유연하게 늘어나는 성질이 없고 탄성이 부족한 취성 물질입니다. 따라서 내외부의 팽창 속도 차이로 발생한 물리적 응력이 유리 원자 간의 결합이 버틸 수 있는 한계치를 넘어설 때, 바깥쪽 면부터 미세한 균열이 시작되면서 순식간에 파괴되는 것입니다. 이러한 현상을 열충격이라고 부르며, 유리 두께가 두꺼울수록 열전도 지연이 심해져 더 쉽게 깨지게 됩니다.