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一个有关热力学的小实验~操作起来非常简单,在家也完全可以做。(然而不幸的是,解释起来并不简单*_*)

图片来自pixabay

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你需要的材料非常简单:一个再普通不过的橡皮筋。用双手拿好橡皮筋,先在橡皮筋松弛状态用嘴唇感受一下它的温度。接下来猛地将它拉伸开(注意不要扯断了就好),然后再用嘴唇接触一下橡皮筋,你会感受到什么?

答案是,人们会觉得橡皮筋变热了一点。

接下来,让橡皮筋保持拉伸状态几秒钟,等它恢复到常温,然后再猛地拉近双手距离,让橡皮筋松弛下来。这时候再用嘴唇感受一下。

这一次,橡皮筋会变凉。

在热成像下观察这个过程也很直观。橡皮筋在拉伸时升温:

vrain-elastic-1

当拉伸的橡皮筋恢复到室温,突然放松又会降低温度:

vrain-elastic-2

除此之外,还可以把橡皮筋下端挂上重物,让它处于拉伸状态,然后再用吹风机/热风枪去加热它。这一次,应该可以看到受热后的橡皮筋出现缩短的趋势。

利用橡皮筋受热收缩的性质,还可以做出一种小装置:橡皮筋热机。在一个圆环框架上对称地固定上橡皮筋做成的“辐条”,在中间加上转轴。然后在轮子的一侧进行加热,加热的位置“辐条”收缩,使得整个“轮子”的重心偏移,所以轮子就会动起来。(不过这种热机效率低,并没有什么实用价值)

vrain-elastic-3

上面的动图都来自Applied Science,原视频:https://www.youtube.com/watch?v=lfmrvxB154w

在这个视频中,脑洞很大的博主试图利用橡皮筋伸缩时的吸热/放热来做一个冰箱……理论上这确实说得通,不过实际效果还是相当不明显。

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所以,这中间发生了什么?

这其实是一个经典的热力学课堂实验,老师们通常用它来帮助学生理解熵、焓、吉布斯自由能等概念。不过我估计听说过后两者的人可能远少于听说过熵的人,引入这么多新概念也比较复杂,所以下面只是做一个粗糙的类比帮助大家理解_(:з」∠)_

一种(我认为)比较简单的理解方法是,用大家相对熟悉的理想气体状态方程进行类比。可以认为在这方面橡皮筋这样的弹性体和气体具有类似的性质。拉伸橡皮筋和压缩气体,这两个过程的热力学规律是可以类比的。

橡胶的高弹性属于熵弹性。橡皮筋中有很多长长的聚合物分子链,它们之间有一些交联。在松弛状态,分子链“自由活动”的余地比较大,可以扭出各种不同的构象。而当受到外力拉伸时,这些分子链更加整齐地排列,“自由活动”的余地下降,这个过程熵是减少的。而当撤掉外力时,促使橡皮筋回弹的是熵增。而气体的弹性其实也是熵弹性,只不过使气体熵减少的过程是压缩而不是拉伸。

可以把快速拉伸橡皮筋的过程想象成是绝热压缩一团气体,这两个过程都是利用外力让体系的熵减少,同时温度上升。(快速拉扯的时候还来不及进行热交换,所以近似认为它是绝热的过程)

加热时的情况也是这样。拉伸状态的橡皮筋收缩可以看成是一个有序→无序方向的变化,体系熵增加,可以与其类比的是气体受热膨胀的过程。如果是保持拉伸长度不变,加热之后会需要更强的拉力来对抗回弹,这与等容条件下温度较高的气体有更高的压力也是相似的。

详细解释这个过程需要引入更多热力学概念和定量计算,有兴趣了解更深入的解释可以看这里

我真的,再也不想看热力学了_(:з」∠)_

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3 Responses to “小实验:用力拉扯橡皮筋会发生什么?”

  1. 匿名说道:

    每个字都能看懂系列。

  2. 匿名说道:

    哈哈哈

  3. 匿名说道:

    上学的时候物化课上讲的熵变。忽然间发现上学那会子的东西还没有完全还给老师。

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