Dan Watts于2021年更新。
原件：Philip Gibbs，1996
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玻璃是液体还是固体？

有时有人说，非常古老的教堂里的玻璃底部比顶部厚，因为玻璃是液体，而且因此，几个世纪以来，它一直流向底部。这不是真的。在中世纪，玻璃窗通常由“皇冠玻璃”工艺制成。一块熔融玻璃被轧制、吹制、膨胀、压平，最后在切割成窗格之前旋转成圆盘。靠近阀瓣边缘的薄板较厚，通常安装时，较重的一侧在底部。还使用了其他玻璃材质窗格玻璃的成型技术，但这只是相对较新的浮法玻璃工艺生产出了高质量的平板玻璃。

要回答“玻璃是液体还是固体？”这个问题，我们必须了解玻璃的热力学和材料特性。

玻璃热力学

虽然对玻璃的分子物理和热力学还不太了解，但我们可以给出一个概括性的结论对被认为是正确物理的解释。

许多固体在微观尺度上具有晶体结构，其分子排列规则晶格。当固体被加热时，其分子围绕其在晶格中的位置振动，直到熔化时点，晶体破裂，分子开始流动。固体和液体状态，由一阶相变：不连续的变化材料的属性，如密度。结冰的标志是释放热量，称为热的聚变.

规则晶格中分子的排列

液体具有粘度：流动阻力。水在室温下的粘度约为0.001帕斯卡秒。（帕斯卡秒或“Pa s”是相关的SI单位。帕斯卡是每平方米的牛顿。）稠油的粘度通常约为0.1 Pa s。当液体冷却时，其粘度通常会增加；但是粘度增加有防止结晶的趋势。通常当液体冷却到冰点以下时点，晶体形成并凝固；但有时它会变成过冷的，在其熔化以下仍有液体这是因为不存在可以引发结晶的成核位点。如果粘度上升足够大进一步冷却，它可能永远不会结晶。粘度迅速持续上升，形成浓糖浆最终形成无定形固体。然后分子会有无序排列，但有足够的内聚力来维持一些刚性。在这种状态下，这种材料通常被称为非晶固体或玻璃。

玻璃中分子的排列

一些人声称玻璃实际上是一种过冷液体，因为当它冷却时，没有一级相变发生。事实上二阶跃迁发生在过冷液态和玻璃态之间，因此，必须区分“玻璃”和“过冷液体”。这种转变没有那么戏剧性当液体变成晶体固体的相变。二阶跃迁没有间断变化密度和无熔化潜热。相反，这种转变可以被检测为热量的显著变化材料的膨胀率和热容。

从过冷液体到玻璃发生二阶转变的温度根据以下速率而变化使材料冷却。如果冷却缓慢，则有较长的放松时间：过渡发生在较低温度温度越高，形成的玻璃越致密。如果液体冷却非常慢慢地，它就会结晶。 The因此，玻璃化转变温度有一个下限。

密度与温度的关系
在玻璃态材料中

液晶转变是一种热力学转变：低于冰点时，晶体在能量上受到青睐液体。向玻璃的转变是纯粹的动力学：无序的玻璃态没有足够的动能为了克服分子相互运动所需的势能障碍玻璃呈现出固定但无序的排列。玻璃和过冷液体都是亚稳相，而不是真正的热力学相，如晶体固体。原则上，玻璃可以自发转变为晶体固体。有时，如果旧玻璃中含有杂质，它就会以这种方式析晶。

分子物理学层面的情况可以概括为三种主要类型的分子存在安排：

晶体固体：分子在规则晶格中有序；

流体：分子无序，没有刚性结合；

玻璃杯：分子是无序的，但是刚性结合的。

（只是为了说明这样的分类是不可能完成的：几年前，科学家们创建准晶体这是准周期的。它们不符合上述方案，有时被描述为介于水晶和玻璃之间。）

很容易得出这样的结论：玻璃状材料在玻璃化转变；但这种说法很难证明是正确的。橡胶等聚合材料低温下的玻璃化转变，但通常认为在玻璃和橡胶状态下都是固态的。

有时人们说玻璃既不是液体也不是固体。它的结构截然不同具有液体和固体的性质。并不是每个人都同意这种说法。

玻璃的材料特性

通常，当人们描述固体和液体时，他们指的是宏观材料属性，而不是排列分子。毕竟，早在人们开始了解玻璃的分子物理之前，玻璃就已经被认为是一种材料。宏观上，材料表现出非常广泛的行为。固体、液体和气体是理想的行为具有压缩性、粘度、弹性、强度和硬度等特性。但材料没有总是按照这样的理想行事。例如，有可能将水从液态变成气态压力没有通过相变；因此，在某个阶段，它的状态必须介于理想状态之间液体和理想气体。

对于结晶物质来说，固态和液态之间的区别非常明显；但是眼镜呢？事实上，聚合物、凝胶、泡沫、液晶、粉末和胶体在这幅图中的位置如何？有些人画不明确固体和液体之间的一般区别。他们声称，固体应该被定义为具有非常高的粘度。他们任意设定了10个上限¹²Pa s，在它上面他们称它为固体，在它下面他们称之为液体。

但其他人说，这忽略了液体粘度和固体塑性之间的区别。理想牛顿液体的变形速度与施加的应力及其粘度成正比。对于任意小应力，粘性液体就会流动。糖蜜、松脂和糊状腻子都是高浓度液体仅在自身重量的作用下流动非常缓慢的粘度。另一方面塑料可以是非常柔软的，但仍被视为固体，因为它们具有刚性且不流动。

固体在受到小应力时是有弹性的。它们会变形，但当消除应力。在较高的应力下，一些固体会断裂，而另一些则表现出塑性。塑性指当应力消除时，它们会变形，不会恢复到原来的形状。许多物质，包括金属如铜，具有可塑性。材料在塑性变形下的流动阻力称为粘塑性这与粘度相似，只是存在最小应力，低于该应力，塑性不存在。（此应力称为弹性极限.）塑性材料不流动；但他们可能蠕变，这意味着它们变形缓慢，但只有在高于弹性极限的恒定应力下才能变形。

固体在小应力下的行为可能令人惊讶。如本文末尾的参考文献所示，从1957年开始，日本研究人员测量了两根花岗岩梁的弯曲度，每根约2米长，约10米厘米平方。他们发现连续弯曲没有减少的迹象。他们的结论是花岗岩表现出粘性流动，粘度约为（3至6）×10¹⁹帕斯卡。

因此，任意测量粘度或粘塑性并不是区分固体和液体的好方法。另一个定义固体和液体区别的方法是，如果需要一些最小剪切应力来产生永久变形，则材料为固体。这只是一种精确的说法，它具有一定的刚性。A类液体可以定义为流动的物质。当液体被放置在容器中时，它最终会流向下游，直到其自身表面平坦。这里的一个困难是这两个定义没有涵盖所有情况。存在一些流动受限的材料，称为粘弹性，其中材料在应力作用下会发生弹性变形。如果长时间施加应力，即使压力很小。具有粘弹性的材料可能会缓慢流动一段时间，但随后会停止。是的在这种情况下，试图明确区分液体和固体是徒劳的。

玻璃的类型

为了确保旧窗户中的玻璃没有流动，我们必须认识到不同玻璃的不同特性。玻璃可以由纯二氧化硅制成，但熔融二氧化硅的玻璃转变点很高，约为1200°C，因此很难模压成玻璃或瓶子。至少2000年前，人类学会了如何通过添加加热前加入石灰和苏打水，以生成含有钠和氧化钙的玻璃。窗户用钠钙玻璃今天的瓶子也含有其他氧化物。测量玻璃的玻璃转变温度很困难因为这个温度取决于玻璃冷却的速率。就现代钠钙玻璃而言冷却将在550°C左右产生玻璃化转变。约270°C的最低玻璃化转变温度为思维存在；如果材料冷却得很慢，它仍然可能是一种过冷的液体，直到略高于此温度温度。玻璃，如Pyrex（用于测试管和烤箱）通常基于硼硅酸盐或铝硅酸盐：这些材料耐热性更好，通常具有更高的玻璃化转变温度。一些眼镜，诸如含铅的品种具有较低的转变温度。

有时人们说，旧望远镜镜头提供了玻璃不流动的良好证据：即使在150年后，它们保持着良好的光学质量，这一点可以证明，它们会被轻微的变形破坏。事实上，光学玻璃很少像窗户和瓶子中使用的玻璃。光学玻璃可以基于添加其他金属氧化物的硼硅酸盐或钠钙玻璃，以提高其热性能和光学性能。那么，老望远镜透镜和镜子提供了很好的证据一些玻璃杯不流动，但几乎没有证据支持声称旧窗户的玻璃并没有流动。非流动玻璃的另一个例子是石器时代的箭头，由黑石，一种天然玻璃。经过数万年的磨砺，它们依然锋利无比；但再一次，这个玻璃主要是二氧化硅和铝硅酸盐，比窗玻璃坚硬得多。

要获得玻璃没有流入旧窗户的确凿证据，我们必须研究最古老的例子。早期玻璃用来制作瓶子和窗户的材料通常是在硅酸盐中加入苏打和石灰制成的。有时添加钾肥而不是。通常存在其他杂质，使其比现代钠钙玻璃更柔软。其他化合物通常添加以赋予颜色或改善其性能。罗马人在第一世纪制造了这种玻璃制品公元世纪，尽管非常精致，但仍保留了一些例子，包括精心装饰的波特兰花瓶大英博物馆。罗马玻璃器皿提供了一些最好的证据，证明钠钙玻璃不具有流动性，甚至在将近2000年之后。现存最古老的彩色玻璃窗仍在原处的例子可以追溯到12世纪。其中最古老的是德国奥格斯堡大教堂高侧窗中的五尊塑像，其日期为1050年至1150年之间。法国和英国也发现了许多其他早期的例子，包括壮丽的北玫瑰巴黎圣母院的窗户，建于1250年。

许多人（尤其是导游）声称这种玻璃变形是因为玻璃缓慢溢出几个世纪以来。这已成为一个持续的神话，但仔细观察发现，流动的特征性迹象，例如流动的周围和框架外，不存在。变形与缺陷更加一致当时用来制作玻璃板的方法。在某些情况下，窗格玻璃及其框架之间会出现间隙，但这是由于引线框架的变形，而不是玻璃的变形。老房子窗户泛起涟漪的其他例子这与浮法玻璃工艺发明之前，玻璃通过滚动而被完全压扁的情况一致。

很难绝对肯定地验证没有玻璃流的例子，因为原始记录国家几乎不存在。以下参考文献中的两个例外情况表明，玻璃变形表明粘度为10¹⁷到10¹⁸Pa s，尽管其中一篇论文表明这种变形是长期的室温下基础粘度外推为10时的松弛²²Pa s，太大，无法提供任何流量1000年后。在极少数情况下，彩色玻璃窗被发现含有铅，这会降低粘度并使它们更重。这些例子在自身重量下会变形吗？只有仔细研究和分析才能回答这个问题问题。科宁玻璃博物馆的罗伯特·布里尔自20世纪60年代以来一直在研究古董玻璃。他已经检查过了许多旧建筑的玻璃样品，测量其材料特性和化学成分。他参加了对玻璃流传说特别感兴趣，一直在寻找支持和反对的证据。在他看来他说，中世纪彩色玻璃窗中的玻璃在几个世纪以来一直在流动的说法是不正确的，而且是下垂的例子旧窗户上的波纹也是制造过程中最有可能产生的物理特征。其他进行过类似研究的专家也同意这一观点。基于测量玻璃粘度的理论分析表明，玻璃即使经过几个世纪，也不会发生明显变形，他们发现玻璃变形类型之间存在明显联系以及它的制作方式。

结论

“玻璃是固体还是液体？”这个问题没有明确的答案。就分子动力学和热力学而言有可能证明各种不同的观点，即它是高粘度液体、无定形固体，或者只是玻璃既不是液体也不是固体的物质的另一种状态。区别在于语义。即使就材料而言属性，我们可以做得更好。固体和高粘度之间的区别没有明确的定义液体。所有这些物质的相或状态都是真实物质性质的理想化。尽管如此，从更符合常识的观点是，玻璃应该被视为固体，因为根据日常经验，它是刚性的。使用术语“过冷液体”来描述玻璃仍然存在，但许多人认为这是一种不幸应该避免用词不当。无论如何，声称旧窗户中的玻璃窗格因玻璃流动而变形的说法从未得到证实。罗马玻璃器皿示例和基于玻璃粘度测量的计算表明这些说法不可能是真的。由于不完美，观察到的特征更容易解释浮法玻璃工艺发明之前，玻璃窗玻璃的制作方法。

工具书类

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