问：在冬季，为什么热水管比冷水管更频繁地冻结和爆裂？
一个。 工程师兼建筑科学顾问福斯特·莱昂斯（Foster Lyons）回应道： 简短的答案是因为热水管没有连接到厕所，这有助于减少爆裂的冷水管的数量。原因如下。
水在冻结时膨胀，体积从液态增加约9%。这就是为什么冰漂浮的原因 - 它比液态水密度低。这种体积的增加是水管结冰时破裂的近端原因，但可能不是你想象的原因。膨胀的冰不会推到管壁上导致破裂;相反，是高压液态水造成损害。
冻结的管道从外向内冷却。最温暖的位置始终是管道中心的液体。当温度降至冰点以下时，水开始在管道的内表面上冻结，这是一个缓慢的过程，这使得液态水分子有足够的时间离开，因为它们的相邻的，最近冻结的固体分子将自己重新排列成9%更大的排列。这种冻结从管壁附近的区域向管道中心发展 - 与树木年轮生长相反，但类似于斑块在我们的动脉中积聚。
如果附近有非冻结区域，则中心的最后一滴液体被推到冷冻区域两侧的液体区域。当管道被冻结通过时，管壁上的压力与冷冻区外周围液体的压力完全匹配。最终从中间被推出的水要么流向水源（如街道上的水管或热水器），要么流向管线末端的管道装置（如水槽或马桶）。
重新安置的水流向水源不会造成太大的麻烦。通常有很多地方可以缓解这种压力 - 例如，市政系统中的大量水，热水箱或井系统储罐。重新定位的水被推向线路的末端会导致问题，这就是爆发发生的地方。
Stephen Cordory/Adobe Stock Image当水在水管中冻结并变成冰时，它会膨胀并对管道中剩余的液态水加压。由于水难以压缩，如果没有其他方法来缓解增加的压力，管道就会爆裂。
在热水管中，重新安置的水无处可去。每条管路的末端都有一个阀门，假设您没有连续运行水龙头，这些阀门就会关闭。基本上，当冰在热水管中冻结时，它会将液态水推向死胡同。
很难压缩水。压力增加 1 个大气压仅导致体积减少 0.005%。反过来考虑，如果您将哪怕是最小的一部分额外水塞入相同的体积中，压力就会飙升。这就是在那些热水管中发生的事情。
很长一段时间，科学家们都无法弄清楚如何建造足够强大的东西来测量冰冻混合物膨胀产生的压力。他们尝试了厚厚的黄铜容器，甚至大炮和炮弹，但没有什么能阻挡膨胀的冰产生的压力，而且，每隔一段时间，他们就会不小心炸毁他们的混合物，并在数百英尺的地方发射射弹。相比之下，就冰膨胀而言，铜管的壁与薄纸的强度有关。
冷冻冰可以施加高达每平方英寸（psi）43，511.31磅力的压力。家用水管的设计可承受约 1，500 psi（3/4 英寸铜制）的冲击，具体取决于管道尺寸和制造工艺，当您在达到 43，000 psi 的途中，这甚至不是一个道路颠簸。冷冻水会产生将山脉劈成两半的压力，对于被困在冰块和关闭阀门之间的铜管来说，这是一项死刑判决。
另一方面，冷水管有一个安全阀 - 厕所。这是因为厕所有一个浮球阀 - 更准确地称为球阀 - 由阀门上的压力差操作。当压力增加时，阀门打开并释放一些流体，压力降低。在厕所中，这种释放压力由气囊的位置控制。当供水水压力在为厕所供水的冷水管中积聚时，它会将气囊向下推入水箱水中，从而允许一点点水通过阀门，从而释放供应压力。
当水沿着冷水管线的长度继续冻结到厕所时，它不断将液态水推过浮球阀，并且该供应管路中的压力永远不会增加。它冻结，但永远不会爆裂，因为管路中的压力永远不会超过浮球阀的压力设置。
当然，如果冷水管线中有两个冻结位置，则这些位置之间的体积无处释放其压力，管道会爆裂。这种情况经常发生。热水管路也是如此。
冷冻水的另一个有趣的事情是：热水管中的水冻结得更快。这完全违反直觉，但确实如此。您可以通过倒入两杯相等的水，加热其中一杯，然后将两杯放入冰箱来轻松证明这一点。10次中有9次，加热的杯子将首先冻结。这个未解之谜被称为Mpemba效应，没有人能完全解释（有证据）为什么会发生。
水管中由内部压力引起的切向应力垂直于轴向应力，并且倾向于在平行于管道中心线的直线上分隔管壁。
水管的爆裂方式与煮熟的香肠相同 - 总是沿着它们的长度，而不是在它们的末端。与香肠皮内的填充物一样，铜管内的水只能对外壳材料产生两种应力：轴向（倾向于改变主体的长度）和切向应力（变形力的方向平行于横截面积）。
当您进行数学运算时，您会发现对于任何给定的内部流体压力，轴向应力始终是切向应力的一半。所以，香肠和水管总是沿着它们的长度爆裂，因为这是存在更大压力的地方。
