두꺼운 유리컵에 뜨거운 물을 부으면 왜 깨질 수 있을까?
Why can a thick glass crack when hot water is poured in?
두꺼운 유리컵에 펄펄 끓는 물을 부었더니 «쩍» 하고 금이 가는 일이 있는데, 단단한 유리가 왜 깨질까요?
무슨 일이 일어났나
뜨거운 물을 부으면 물이 닿은 유리 안쪽 면이 먼저 데워지고, 열은 유리 안에서 전도로 조금씩 바깥쪽으로 옮겨 갑니다(NOAA).
시뮬레이터에서 유리(열전도율 1 W/(m·K) · 밀도 2549 kg/m³ · 비열 760 J/(kg·K)) 벽이 5 mm 두께면 1 초 뒤 한가운데가 21.0 °C, 5 초 뒤에도 38.9 °C 이지만, 2 mm 두께면 1 초 만에 42.5 °C 가 됩니다 — 두꺼울수록 뜨거운 안쪽 층과 아직 차가운 나머지 부분의 차이가 오래 남습니다.
NIST 에 따르면 물체는 선팽창 계수 × 온도 차만큼 늘어나는데, 흔한 컵 · 창유리인 소다석회 유리의 선팽창 계수는 9.6×10⁻⁶ /°C(NIST 표준 물질 SRM 1826b)라 20 °C 에서 90 °C 로 데워진 안쪽 층은 길이 10 cm 마다 약 0.067 mm(67.2 µm) 늘어나려 합니다.
아직 차가운 바깥 부분이 이를 붙잡아 유리 안에 서로 밀고 당기는 힘(열응력)이 생기고, 이 힘이 유리가 견디는 한계(보통 창유리는 약 40 MPa 로 잡습니다)를 넘으면 금이 갑니다 — NASA 제트추진연구소 보고서도 소다석회 유리는 열팽창이 비교적 커서 갑작스러운 온도 변화(열충격)에 깨지기 쉽다고 적었고, NIST 가 지원한 화재 연구도 창유리가 고르지 않게 데워질 때 생기는 열응력으로 깨진다고 설명합니다.
시뮬레이터는 바깥 면을 방 온도 20 °C 로 붙잡아 둔 단순 모형이라 오래 두면 온도가 90 °C 에서 20 °C 까지 곧은 선으로 놓이지만, 실제 컵은 바깥 면도 천천히 데워집니다.
💡 생활 속 예시
- 냉장고에서 막 꺼낸 두꺼운 유리 반찬통에 끓는 국을 바로 붓기보다 미지근한 물로 먼저 헹궈 두면, 안쪽 면과 나머지 부분의 온도 차가 줄어 금이 갈 걱정이 덜합니다.
- 겨울 아침 꽁꽁 언 자동차 앞유리에 뜨거운 물을 끼얹으면 겉면만 갑자기 데워져 늘어나므로 유리에 금이 갈 수 있습니다.
- 뜨거운 물로 막 헹군 유리잔에 얼음물을 부을 때도 거꾸로 같은 일이 생깁니다 — 이번에는 안쪽 면만 갑자기 식어 줄어듭니다.
확인된 값
- 늘어나는 양 = 선팽창 계수 × 온도 차 — 온도 차가 큰 곳일수록 더 늘어남 (NIST)
- ΔL ∝ α · ΔT 출처
- 열은 한 물체 안에서도 전도로 조금씩 옮겨 간다 — 안쪽 면부터 데워짐 (NOAA)
- 물체 안 전도 출처
- 소다석회 유리의 선팽창 계수 9.6×10⁻⁶ /°C — NIST 표준 물질 SRM 1826b 증명서(밀도 환산식에 쓰는 값)
- 0.0000096 1/K 출처
- 소다석회 유리의 밀도 (20 °C, NIST SRM 1826b 인증값 — 시뮬레이터는 2549 kg/m³ 로 반올림)
- 2548.668 kg/m³ 출처
- 유리의 열전도율 — 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(DOE) 창 계산 프로그램 WINDOW 기술 문서 9.3 절
- 1 W/(m·K) 출처
- 유리(GLASS)의 비열 — NIST 화재 모형 CFAST 1.6 사용 설명서(NISTIR 4985)의 기본 열 자료 줄
- 760 J/(kg·K) 출처
- 소다석회 유리는 창유리 · 유리컵(텀블러) 같은 흔한 유리 제품에 쓰인다 (NASA JPL 보고서, 1980)
- 창유리 · 유리컵 출처
- 소다석회 유리는 열팽창이 비교적 커서 열충격에 깨지기 쉽다 (NASA JPL 보고서, 1980 — 마이크로피시 스캔 글자)
- 열충격에 약함 출처
- 창유리는 가운데와 가려진 가장자리가 고르지 않게 데워질 때 생기는 열응력으로 깨진다 (Pagni · Joshi 1991, NIST 지원 — NIST FireDOC)
- 열응력 출처
- 보통 창유리의 깨지는 응력으로 잡는 값 (Joshi · Pagni 1994, NIST 지원 — NIST FireDOC)
- 40 MPa 출처
교육과정에서는
- 한국 2022 · 역학과 에너지 · 열과 에너지 [12역학02-01]
출처
- https://emtoolbox.nist.gov/Publications/NISTJResJan-Feb2007-112-1.pdf(확인 2026-11-12)
- https://www.noaa.gov/jetstream/atmosphere/transfer-of-heat-energy(확인 2026-11-12)
- https://tsapps.nist.gov/srmext/certificates/archives/1826b.pdf(확인 2026-11-12)
- https://windows.lbl.gov/sites/default/files/Downloads/WINDOW%20Technical%20Documentation.pdf(확인 2026-11-12)
- https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir4985.pdf(확인 2026-11-12)
- https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19800011353/downloads/19800011353.pdf(확인 2026-11-12)
- https://firedoc.nist.gov/article/MHcyXYQBWEcjUZEYZH9A(확인 2026-11-12)
- https://firedoc.nist.gov/article/0XcyXYQBWEcjUZEYipmF(확인 2026-11-12)
이어서 보기
같은 단원 · 온도와 열
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