冷凍庫裡的冰塊放進飲料裡，為什麼會啪啦啪啦地裂開？
― 冰塊只要幾℃的溫差，就會把自己撕裂
把剛從冷凍庫拿出來的冰塊丟進麥茶裡，會聽到啪啦、啪嚓的聲音，冰塊裡會冒出白色的裂痕。明明沒有人去敲它，冰塊為什麼會裂開呢？答案有兩個：「只有外側突然變熱而膨脹」，以及「冰塊非常不耐拉伸」。經過計算就會發現，冰塊其實是個只要差個2℃左右的溫差就可能裂開的、非常脆弱的材料。
炎熱的午後，你在杯子裡放進冰塊，倒入冰涼的麥茶。就在那一瞬間，杯子裡傳出啪啦啪啦的小聲音。
仔細一看，原本透明的冰塊內側，冒出了好幾道像白色薄板一樣的裂痕。有些冰塊甚至會直接裂成兩半。
可是，如果放進的是已經在水槽裡擺了一會兒的冰塊，幾乎就聽不到聲音。明明是同一種冰塊，差別到底在哪裡？
冰塊裂開的原因，其實只有2個
水傳熱的速度非常快。冰塊一放進飲料的瞬間，表面就會立刻升溫到接近0℃並想要膨脹。但內部還冰冷的芯部卻依然是收縮的狀態。
膨脹中的外側，會把內部的芯部向四面八方拉扯。冰塊很耐壓，卻非常不耐拉伸。芯部承受不住，就從內側裂開。
也就是說，冰塊並不是被從外面打裂的。而是溫度不同的「外側」和「內側」互相拉扯，才裂開的。讓我們依序看下去。
原因1：只有表面膨脹，芯部依然收縮
一般家用冷凍庫內部，通常維持在零下18℃左右。剛拿出來的冰塊，連芯部也同樣冰冷。
把這塊冰放進飲料裡，周圍的液體會把熱量一股腦地傳進來。水傳熱的能力比空氣強得多。因此，冰塊表面會很快升溫到接近0℃。但另一方面，熱量要傳到冰塊內部需要時間，芯部會暫時維持在零下18℃左右。
大多數物質受熱後都會稍微膨脹，冰塊也不例外。表面那一層「想要變大一圈」，但冰冷的芯部卻依然維持原狀。外側和內側連成一體，沒有地方可以釋放這股落差。看圖1就能看出，外側其實是在把芯部往外拉扯。
放在空氣中的冰塊比較不容易裂開，是因為空氣傳熱的速度很慢。表面慢慢升溫的同時，熱量也有時間傳到芯部，內外溫差不會拉得太大。
原因2：冰塊非常不耐「拉伸」
冰塊是個堅硬的物質。就算用削冰機的刀片去碰它，也不會馬上碎裂。對於壓碎的力，冰塊有一定程度的強度。
但是，冰塊卻非常不耐拉伸的力。據說冰塊因拉伸而斷裂的強度，只有因壓碎而斷裂強度的幾分之一到十分之一左右。而且冰塊不像橡膠那樣能靠伸長來釋放力量。只要稍微超過極限，裂痕就會一瞬間竄開。
原因1中膨脹的外側層，會把芯部往四面八方拉扯。也就是說，芯部承受的正是冰塊最不擅長應付的「拉伸」力。裂痕之所以不是出現在表面、而是在內側，原因就在這裡。啪啦的聲音，正是裂痕瞬間擴展時冰塊震動發出的聲音。
那麼，到底多大的溫差才會裂開呢？請用圖2，試著改變冷凍庫的溫度來確認看看。
圖2的橫條，是假設外側完全達到0℃、芯部維持冷凍庫溫度不變的上限估算值。實際上溫度是漸漸變化的，所以力量會比這個數字小。即便如此，零下18℃的冰塊仍會大幅超過斷裂強度好幾倍。由此可知，冰塊是個「裂開是正常現象」的材料。
裂痕中會形成極薄的空氣縫隙。光線在冰與空氣的交界處反射，於是原本透明的冰塊內部，就會出現白色發亮的薄板。這和雪看起來是白色的原理相同。
從冷凍庫拿出的冰塊，放個1〜2分鐘再放進飲料，就不容易裂開。等到表面稍微滲出一點水氣時，芯部和表面的溫差就會縮小。在調酒的世界裡，這個小步驟有時被稱為「讓冰塊回溫」。想用透明的冰塊又不想讓它裂開時，這個方法也很有用。
總結
放進飲料裡的冰塊，只有表面會突然升溫到0℃並膨脹。冰冷的芯部依然維持收縮狀態，於是被外側向四面八方拉扯。冰塊非常不耐拉伸，經過計算，只要差個2℃左右的溫差就可能裂開。所以零下18℃的冰塊，才會啪啦啪啦地從內側裂開。
讓冰塊裂開的，並不是飲料本身。
而是變熱的外側，和依然冰冷的芯部之間的「拉扯戰」。
關於溫差讓石頭裂開的相似故事，可以參考「用河邊的石頭搭爐灶，為什麼石頭有時會裂開飛出去？」；水比空氣傳熱更快的故事，可以參考「桑拿明明高達90℃，為什麼還能待在裡面？」；裂痕看起來是白色的原理，可以參考「冰塊明明是透明的，雪為什麼看起來是白色的？」。
- 從冷凍庫拿出2個冰塊，其中1個立刻放進裝了水的杯子裡。把耳朵靠近聽聲音，並觀察裂痕。
- 另1個放在盤子上約2分鐘，等表面變濕後，再放進另一個裝水的杯子裡。同樣比較聲音和裂痕。
- 如果還有餘力，可以把水換成溫水試試看。觀察溫差越大，裂痕是否也會增加。
裂開的冰塊碎片有時邊角會很尖銳。請不要用手用力緊握，也要小心別被杯緣割傷嘴唇。請勿使用熱水。
想了解更多的人請看 ― 用語、公式與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，都會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「物理」課會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（材料力學・破壞力學）的內容
- 研究大學也不會當作「定論」教授、目前研究者仍在探討中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 熱膨脹：物體受熱後，體積會稍微變大。冰塊受熱後也會膨脹。
- 熱應力：因為各處溫度不同，而在物體內部產生的互相擠壓、互相拉扯的力。
- 熱衝擊：急速加熱或冷卻時，因熱應力而使物體裂開的現象。在玻璃杯裡倒入熱水會裂開，也是同樣的原理。
國中高中用公式確認：冷凍庫冰塊的芯部承受多大的拉伸力
假設外側層已達0℃，芯部仍維持冷凍庫溫度。我們估算外側想要膨脹的長度比例，若被強行壓回原狀時所產生的力。
| 用符號表示 | σ ＝ E × α × ΔT |
| 用文字表示 | 內部的力 ＝ 冰塊的硬度 × 每1℃的伸長率 × 溫差 |
| 公式的來源 | 把因溫差而伸長的比例（α × ΔT），代入虎克定律（力 ＝ 硬度 × 伸長比例）而得。這是膨脹完全被壓制時的上限估算值 |
| σ | 熱應力。冰塊內部承受的力（單位為 MPa ＝ 每平方公尺100萬牛頓） |
| E | 楊氏係數。表示冰塊的硬度（不易伸長的程度）（單位為 MPa） |
| α | 線膨脹係數。溫度上升1℃時，長度會伸長多少倍（單位為 1/℃） |
| ΔT | 外側與芯部的溫差（單位為 ℃） |
| 冰的楊氏係數 E | 約為9000 MPa |
| 接近0℃的冰之線膨脹係數 α | 約為0.00005 /℃ |
| 冷凍庫中的冰與已達0℃的表面之間的溫差 ΔT | 18 ℃ |
| 冰因拉伸而斷裂的強度 | 約0.7〜3 MPa（這裡取較小值的 1 MPa） |
| 溫差1℃所產生的力 | 9000 × 0.00005 ＝ 0.45 MPa |
| 溫差18℃所產生的力 | 0.45 × 18 ＝ 8.1 MPa |
| 是斷裂強度的幾倍 | 8.1 ÷ 1 ＝ 8.1 倍 |
| 開始裂開的溫差 | 1 ÷ 0.45 ≒ 2.2 ℃ |
估算結果顯示，只要溫差約2℃左右，就會達到冰塊斷裂的強度。8.1 MPa大約相當於每平方公分80 kg重量的拉伸力。實際上因為溫度是漸進變化的，力量會比這個數字小，但零下18℃的冰塊容易裂開的原因，光靠這個數量級的差異就能充分說明。
高中高中＋為什麼只有「放進水裡」才特別容易裂開
高中熱會從高溫處流向低溫處。即使溫差相同，液態水傳給物體表面的熱量也遠多於空氣。因此在飲料中，冰塊表面會急速升溫，外側與芯部的溫差會拉得很大。
高中＋熱滲入冰塊內部的深度，會隨時間的平方根成比例擴大（熱擴散）。放進去後的幾秒鐘內，受熱的那一層非常薄，緊鄰的內側就會形成急遽的溫度坡度。這個坡度越陡，熱應力就越大。在空氣中慢慢受熱時，坡度會變得平緩，因此比較不容易裂開。
大學脆性破壞與耐熱衝擊性
在材料力學中，像冰塊這種不會伸長、而是一瞬間裂開的破壞方式，稱為「脆性破壞」。根據破壞力學，物體內部原本就存在微小的裂縫或氣泡，拉伸的力量會集中在這些裂縫的尖端。這正是冰塊比起耐壓、更不耐拉伸的原因。耐熱衝擊性可以用斷裂強度除以E × α這個量來比較。冰塊的這個數值較小，據說比玻璃更不耐熱衝擊。
📖 公式的推導與更深入的內容：熱應力（日文維基百科） ／ 破壞力學（日文維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 第一道裂痕是從哪裡開始的。 一般認為冰塊內部的氣泡或結晶邊界會成為起點，但要事先預測裂痕會從哪個傷痕開始擴展，至今仍是個難題。
- 結晶大小與易裂程度。 有報告指出，冰的結晶顆粒越大，就越不耐拉伸。顆粒的方向和雜質會造成什麼影響，仍在持續研究中。
- 與海冰、冰河裂開方式的關係。 寒冷夜裡湖面或海面的冰發出巨大聲響裂開，也被認為與熱應力有關。從幾公尺到幾公里的規模，裂痕如何擴散，目前仍在調查之中。
也就是說，本文的內容也是「目前所知範圍內的說明」。這裡使用的數值，也會因冰塊的製作方式與溫度而有所不同，僅供參考。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「物質的狀態變化」「熱的傳遞方式」 | 受熱會膨脹、水傳熱速度快 |
| 高中 | 物理「熱與溫度」「彈性力（虎克定律）」 | 用公式確認（σ ＝ E × α × ΔT） |
| 高中＋ | 物理進階「熱傳導」 | 受熱層很薄、溫度坡度急遽變化 |
| 大學 | 材料力學・破壞力學 | 脆性破壞、耐熱衝擊性的比較方式 |
| 研究 | 冰的物性・雪冰學 | 裂痕起點、與結晶大小的關係 |
| ― | 與生活的連結 | 讓冰塊回溫1〜2分鐘再使用、避免讓冷物接觸熱玻璃 |
- Petrovic, J. J. (2003) Review: Mechanical properties of ice and snow. Journal of Materials Science 38, 1–6
- Schulson, E. M. & Duval, P. (2009) Creep and Fracture of Ice. Cambridge University Press
- Hobbs, P. V. (1974) Ice Physics. Oxford University Press
- 國立天文台 編『理科年表』丸善出版（物理／化學部：冰的物性值）（日本機構，日文出版物）
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考估算值。冰的物性值會因製作方式、溫度、氣泡含量而有很大差異。