用河邊的石頭搭營火灶，為什麼石頭有時會爆裂飛濺？
― 石頭裡的水變成水蒸氣，從內側把石頭撐裂
在河邊生營火時，總會想撿一些附近的石頭圍成灶台。可是，把水邊的石頭放到火裡烤，有時會突然「啪」一聲裂開，碎片飛出來。石頭又不會燃燒，為什麼會裂開呢？元兇是滲進石頭裡看不見的水，以及石頭內外的溫度差。
秋天的露營。撿幾顆河邊的圓石排成一圈，在中間生起木柴的火。還可以當作放飯盒的台子，看起來相當不錯。
過了一會兒，靠近火的石頭發出「啪」「滋」的細小聲響。石頭表面有時還能看到淡淡的水氣。
然後突然「啪！」的一聲，其中一顆石頭裂開，一塊拇指大小的碎片飛到了腳邊。原本不會燃燒的石頭，到底發生了什麼事？
石頭裂開的原因，大致有兩個
石頭裡有肉眼看不見的細小縫隙與裂紋。水邊的石頭，裡面充分吸滿了水。被火加熱後，這些水會變成水蒸氣，體積想膨脹到千倍以上。
石頭是傳熱很慢的物質。接觸到火的那一面先變熱膨脹，內部卻還是冷的。想膨脹的部分和不想膨脹的部分互相拉扯，於是在石頭內部產生撕裂的力。
不管是哪一種，都是石頭「從內側」被破壞的機制。而石頭有個特性：耐得住擠壓的力，卻非常不耐拉扯的力。這兩股力量同時攻擊這個弱點。
原因1：石頭裡的水，變成無處可逃的水蒸氣
河邊的石頭經年累月泡在水裡、被雨淋濕。像砂岩這種由顆粒聚集而成的石頭，縫隙很多，像海綿一樣吸水。就算是花崗岩這類看起來堅硬的石頭，顆粒與顆粒的交界處也布滿細小裂紋。
水在100℃沸騰變成水蒸氣。這時，同樣質量的水所占的體積會膨脹到約1700倍。就像一杯水的水量，變成1700杯份量的水氣。在鍋子裡，水氣可以往上逃逸。但石頭深處的水，卻被困在細小的縫隙裡。
無處可逃的水蒸氣，會從內側推擠周圍的石頭。溫度越高，這股壓力就越大。據推算，在200℃時壓力可達大氣壓的約15倍。圖1左側就是這個情形。如果縫隙的出口被堵住，最後石頭就會撐不住而裂開。「啪」「滋」這類細小聲響，一般認為就是水蒸氣從細縫中噴出的聲音。
原因2：石頭一被拉扯，就很容易裂開
大多數物體受熱都會稍微膨脹，石頭也不例外。只不過石頭傳熱非常慢，接觸到火的表面變熱之後，往內幾公分的地方仍會維持一段時間的低溫。
高溫的表面想要膨脹，冰冷的內部卻把它拉住。於是表面被緊緊壓縮，而稍微內側的地方則承受拉扯的力。如圖1右側所示，會出現與表面平行方向的裂縫，表面那層甚至可能像木板一樣剝落飛出。
石頭是非常耐擠壓的物質，建築物地基與石牆會使用石頭正是這個緣故。然而，據推算石頭耐拉扯的強度只有耐擠壓強度的十分之一左右。因此，僅僅約100℃的溫差，就足以產生使石頭裂開的力量。這和把冷水倒進滾燙玻璃杯會使杯子破裂，是同樣的機制。
而且，原因1和原因2會同時發生。含水量越多的石頭，往往也帶有越多細小裂縫。這些裂縫，正好成為拉扯力量集中的「裂口入口」。水邊的石頭之所以特別危險，原因就在這裡。
放在三溫暖爐上澆水的石頭，一般認為選用的是即使急速加熱或冷卻也不易裂開的種類，例如縫隙較少、質地細緻的火山岩。即便如此，長期使用下石頭仍會逐漸出現細小裂痕，所以通常會定期更換。
那麼，該怎麼做才好？
- 水裡或水邊的石頭，不要放在火的旁邊越是濕潤、埋在潮濕沙土裡的石頭，含水量往往越多。
- 不要把石頭丟進火裡，也不要直接拿石頭當灶台使用營火台或現成的灶台才是最安全的做法。
- 聽到「啪」「滋」的聲音，就要遠離石頭不要湊近臉去看。裂開的碎片高溫又會用力飛出。
石頭裂開時，高溫碎片有可能飛到臉部的高度。在火堆附近，請避免蹲下把臉靠近。萬一碎片飛入眼睛或造成嚴重燙傷，請不要揉搓，用流動的水持續沖涼降溫，並立即撥打119或聯絡醫療機構。若火勢有蔓延的跡象，不要勉強撲滅，應優先離開現場避難。此外，許多地方原本就禁止在河邊生營火，請事先確認當地的規定。
總結
河邊的石頭被火烤裂，是因為滲入縫隙的水變成無處可逃的水蒸氣，從內側推擠石頭；再加上只有外側受熱膨脹，在石頭內部產生撕裂的力，兩者疊加所致。石頭雖然耐擠壓，卻不耐拉扯。就算表面看起來乾燥，水邊的石頭內部仍可能含有水分。
不會燃燒的石頭，也會被火烤裂。
危險的是藏在石頭裡的水與溫度差。
營火的熱是如何傳到身體的，可參考為什麼烤營火時，只有臉發燙，背後卻還是冷的？一文。至於河邊石頭為什麼是圓的，請見這篇文章。
- 在河邊或庭院撿2〜3顆種類不同的石頭，充分曬乾後量測重量（用廚房秤就足夠了）。
- 把石頭整整泡水一天。取出後只擦掉表面的水分，再量一次重量。
- 增加的重量，就是滲入石頭縫隙裡的水。表面越粗糙的石頭，吸水量通常越多。
如果吸收的水重1公克，變成水氣後大約相當於1.7公升。做這個實驗時請不要把石頭放到火上加熱。
想再深入了解的人 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理科學習的範圍
- 高中高中「物理」「地球科學」學習的範圍
- 高中＋高中的延伸內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（材料力學、岩石力學）的內容
- 研究連大學也還未當作「定論」教授、研究人員目前仍在探討中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 狀態變化：像水變成水蒸氣一樣，物質在固體、液體、氣體之間改變形態。體積會有很大的變化。
- 熱膨脹：溫度上升時物體稍微膨脹的現象。膨脹的比例稱為「線膨脹係數」。
- 熱應力：因為各處溫度不同，膨脹程度的差異在物體內部產生的力。因急遽溫度變化而破裂的現象稱為「熱衝擊」。
國中高中用公式驗證：100℃的溫差，會在石頭內部產生多大的力
假設完全壓制表面想要膨脹的力，來估算石頭內部產生的力（熱應力）。以花崗岩這類堅硬的石頭為例。
| 用符號表示 | σ ＝ E × α × ΔT |
| 用文字表示 | 熱應力 ＝ 石頭的硬度（楊氏模數） × 每升高1℃的膨脹比例（線膨脹係數） × 溫差 |
| 公式的由來 | 把因溫差而想膨脹的長度比例（α × ΔT），透過虎克定律（力 ＝ 硬度 × 伸縮比例）換算成力 |
| 符號 | 意義與單位 |
| σ | 熱應力。每平方公尺所受的力（單位為 帕斯卡，此處用 百萬帕斯卡 ＝ 100萬帕斯卡） |
| E | 楊氏模數。物體的硬度（單位為 百萬帕斯卡） |
| α | 線膨脹係數。溫度每上升1℃，長度伸長多少倍（單位為 1/℃） |
| ΔT | 表面與內部的溫差（單位為 ℃） |
| 花崗岩的楊氏模數（大約） | 據推算約為 50000 百萬帕斯卡 |
| 花崗岩的線膨脹係數（大約） | 據推算約為 0.000008 /℃ |
| 表面與內部數公分處的溫差（範例） | 100 ℃ |
| 石頭耐拉扯的強度（大約） | 據推算約 10 百萬帕斯卡 前後 |
| 1℃溫差產生的力 | 50000 × 0.000008 ＝ 0.4 百萬帕斯卡 |
| 100℃溫差產生的力（熱應力） | 0.4 × 100 ＝ 40 百萬帕斯卡 |
| 是耐拉扯強度的幾倍 | 40 ÷ 10 ＝ 4 倍 |
| 石頭開始裂開的溫差大致值 | 10 ÷ 0.4 ＝ 25 ℃ |
這是完全壓制情況下的上限估算，但100℃溫差產生的力，已是石頭耐拉扯強度的好幾倍。實際的石頭會因形狀與裂縫而讓力量得以釋放，所以並不會在25℃的溫差下就立刻裂開。即便如此，一旦暴露在營火數百℃的高溫中，裂開的條件就相當充分了。
| 1公克水的體積 | 1 立方公分 |
| 100℃、1大氣壓下1公克水蒸氣的體積 | 據推算約1700 立方公分 |
| 膨脹倍率 | 1700 ÷ 1 ＝ 1700 倍 |
高中高中＋被封閉住的水蒸氣壓力
高中1700倍這個數字，是把1公克水（約18分之1莫耳）和100℃代入理想氣體狀態方程式（壓力 × 體積 ＝ 莫耳數 × 氣體常數 × 溫度）得出的。若被封閉在縫隙中而體積無法改變，壓力就會相對地上升。
高中＋在水與水蒸氣共存的密閉空間中，壓力是由該溫度下的「飽和蒸氣壓」決定的。飽和蒸氣壓會隨溫度急遽上升，這個關係可用克勞修斯－克拉佩龍方程式表示。據推算，150℃時約為大氣壓的5倍，200℃時約為15倍。
大學岩石為什麼不耐拉扯
在材料力學中，因溫差產生的力稱為「熱應力」，因急遽溫度變化造成的破壞稱為「熱衝擊破壞」。岩石的抗拉強度遠小於抗壓強度，是因為內部無數微小裂縫的尖端會使力量集中，這可用格里菲斯破壞理論來說明。縫隙中水的壓力使岩石膨脹擴張的效應，在岩石力學中稱為「孔隙水壓」，會用有效應力的概念來整理分析。作為耐熱衝擊性的指標，常使用「抗拉強度 ÷（楊氏模數 × 線膨脹係數）」這個量。上面②最後一行的計算（10 ÷ 0.4），正好就是這個指標。
📖 公式推導與更深入的內容：熱膨脹與熱應力（維基百科，日文） ／ 蒸氣壓（維基百科，日文）
研究目前尚未完全清楚的事
- 哪種石頭、在什麼溫度下會裂開。 即使是同一種岩石，裂縫的分布和含水程度也會使結果有很大的落差，據稱要事先預測個別石頭會在哪個溫度裂開相當困難。
- 水蒸氣與溫差，哪個才是主因。 實際發生爆裂時兩者往往同時起作用，因此要區分各自的貢獻程度，相關實驗至今仍在持續改進中。
- 與自然界岩石風化的關聯。 森林大火或沙漠晝夜溫差導致岩石剝落的現象，究竟和這個機制有多少共通之處，至今仍是地形學研究的課題。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。單靠外觀判斷哪種石頭安全其實很困難，這就是目前的結論。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科一年級「狀態變化」 | 水變成水蒸氣後體積大幅增加 |
| 高中 | 物理「熱與氣體」、地球科學「岩石」 | 理想氣體狀態方程式、熱膨脹、岩石的構造 |
| 高中＋ | 物理（進階）「飽和蒸氣壓」 | 被封閉的水蒸氣壓力 |
| 大學 | 材料力學・岩石力學 | 熱應力、格里菲斯破壞理論、孔隙水壓 |
| 研究 | 岩石力學・地形學 | 裂開條件的落差、與自然風化的關係 |
| ― | 與生活的關聯 | 露營時選石頭的方法、玻璃器皿的急遽溫度變化 |
- 國立天文台編『理科年表』丸善出版（岩石物性值、水的飽和蒸氣壓）
- 山口梅太郎・西松裕一『岩石力学入門』（岩石力學入門）東京大學出版會
- Jaeger, J. C., Cook, N. G. W., Zimmerman, R. W. "Fundamentals of Rock Mechanics", 4th ed., Blackwell
- 維基百科「熱膨脹率」（熱應力條目，日文）
※本文為大眾科普解說。文中數值僅為理解原理所用的估算・概略值。是否可以生營火及其方法，請依當地管理單位、地方政府、消防機關的規定為準。