所有物质都是由分子(原子)构成的,分子之间存在有相互作用的引力和斥力,正常状态下,引力和斥力处于平衡状态。
当你拉伸橡皮筋时,分子间距离增大,物体为了维持原状,必须增大分子间作用力中的引力以阻碍拉伸,也就是说,分子间的引力要克服外界拉力而做功,机械能转化为内能,内能增加,内能增加的宏观表现就是温度升高。
也可以用分子动理论来说明这个问题。拉伸时,分子间的引力增大,分子势能增加(这与地球表面物体重力势能增加的情况类似),分子的内能包括分子动能和分子势能,因此,即使分子动能不发生改变,其内能也会增加,物体(橡皮筋)的内能也可以增加,温度升高。
总之,橡皮筋的温度升高是由于其内能增加的结果,是外界对物体做功,使机械能转化为内能!
橡皮筋对各种日常工作都很有用,从扎头发到合上一袋薯片,但你有没有考虑过这些奇怪橡皮筋的性质?例如,当你拉伸一条橡皮筋时,它不仅看起来变细,变色,甚至橡皮的温度也会改变!另一方面,如果你释放一个橡皮筋,让它回到正常的大小和形状,橡皮摸上去感觉凉爽,颜色也恢复正常。
你可能不相信我,所以你自己去试试,然后回来看看橡皮筋为什么表现得如此奇特。
什么是橡皮筋?
橡皮筋是一种尺寸、厚度、强度和颜色各异的橡胶环,在世界各地的许多行业中都有使用。橡皮筋通常由有机橡胶制成,因为它比合成橡胶制品具有更好的弹性。你在日常使用中看到的橡胶通常来自橡胶树(巴西橡胶树),主要种植在东南亚国家,如泰国和印度尼西亚。橡胶是一种独特的材料,因为它主要由长链分子聚合物组成。
当橡皮筋处于松弛状态时,也就是说它没有被拉伸,这些长链分子就会相互缠结。当橡皮筋处于拉伸状态时,这些相同的聚合物将展开并变直。当橡皮筋绷紧时,它的颜色往往会变浅,甚至变白。如果你继续拉橡皮筋,你实际上是在拉伸分子本身,而不仅仅是把它们解开成直线。如果你不把橡皮筋从“弹性范围”推入“塑性范围”,橡皮筋应该完全恢复到原来的形状。但是,如果你把橡皮筋拉得太远,它会经历塑性变形,最终达到破裂点,这时它会折断!
为什么橡皮筋会改变温度?
既然你已经了解了橡皮筋的基本物理性质,我们就可以深入研究橡皮筋出乎意料的热力学行为。如上所述,橡皮筋在拉伸时往往会放出热量,而当橡皮筋恢复到“正常”状态时,摸上去会感到凉爽。虽然许多人把热释放与能量变化联系起来,但正常橡皮筋和拉伸橡皮筋的能量并没有什么特别的差别。然而,熵是有区别的!
当你拉伸一个橡皮筋时,你正在调整聚合物并消除所有混乱的缠结。实际上,你降低了分子的熵,但宇宙更倾向于向熵方向移动。维持秩序需要能量和努力,而熵是物质的自然方向。当一个橡皮筋被允许释放并返回到缠结的高熵状态时,引起收缩的弹性力被认为是一种熵力!
很明显,作用在聚合物上的熵力想要抵抗拉伸,所以当我们拉动橡皮筋时,我们正在对材料进行做工,即我们的手指或手正在给橡皮筋贡献能量。其中一部分能量会使聚合物移动得更快,但其余的能量会以热量的形式释放出来,我们可以通过将一条拉长的橡皮筋抵住你的脸颊来检测。
在这个过程的另一面,当你释放一个橡皮筋,聚合物必须执行一定程度的工作,以克服保持其拉直的力。完成这项工作的能量来自热量,热量被消耗在聚合物返回高熵位置的过程中。一旦橡皮筋恢复到正常的放松状态,利用周围空气和高振动聚合物的热量将使其感到凉爽(甚至比周围空气还要冷)。
这也是另一个关于橡皮筋的离奇事实背后的原因;虽然大多数物质暴露于低温(水、金属等)时会收缩,在加热时膨胀,但橡皮筋的行为却相反。如果你给橡皮筋更多的热能,它们会继续收缩,增加它们的熵,同时让它们暴露在寒冷中会导致它们放松、拉伸和膨胀!
下次你把头发扎成马尾辫的时候,也许你会拉长的橡皮筋隐含的科学原理。虽然它们看起来像是简单的工具,但它们代表了我们热力学普遍定律的一个相当独特和引人入胜的演示。你可能认为你的生活是混乱的,但是记住,从手腕上的橡皮筋到太阳的核心,所有的一切也都朝着熵的方向发展!
谢悟空问答之邀!
题主观察的很细,对题主所说的现象还真没注意过,但有一种很接近的情况可供参考。许多人也应该遇到过,就是用手弯折金属丝时,弯折一会,弯折处就会发热。物体发热,即温度升高,意味着物体内能增大。而改变物体内能的方法有两种:做功和热传递。
弯折金属丝,显然是人对金属丝做功,是克服金属丝的分子间的作用力做功,使弯折处内能增大,温度升高。拉伸橡皮筋同样要克服橡皮筋分子间的作用力做功,使橡皮筋的内能增大,温度升高。而释放橡皮筋时,分子间的作用力使分子间的距离减小,内能减小,温度降低。
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