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輪ゴムの弾力性と温度:輪ゴムを伸ばして離すと、なぜ温度が変化するのですか?

<ブロック引用>

輪ゴムを伸ばすと、体積とエントロピーが減少し、温度が上昇しますが、輪ゴムを緩めると、体積とエントロピーが増加するため、温度が下がります。

輪ゴムは、髪を結んだり、ポテトチップスの袋を閉じたりするなど、日常のあらゆる作業に役立ちますが、この奇妙な輪ゴムの性質について考えたことはありますか?例えば輪ゴムを伸ばすと、見た目が細くなったり色が変わったりするだけでなく、ゴムの温度までもが変化!一方、輪ゴムを離して元のサイズと形に戻すと、ゴムは触ると冷たくなり、色も元に戻ります。

輪ゴムのストレッチ (写真提供:イエティ スタジオ/シャッターストック)

信じられないかもしれませんので、自分で試してみてください。それから輪ゴムがなぜそのような特異な振る舞いをするのかを知るために戻ってきてください.

ラバーバンドとは?

輪ゴムは、サイズ、厚さ、強度、色が異なるゴムの輪で、世界中のさまざまな産業で使用されています。輪ゴムは、合成ゴム製品よりもはるかに弾力性があるため、通常、有機ゴムで作られています。日常的に使用されているゴムは、ゴムの木 (Hevea brasiliensis) に由来することがよくあります。 )、主にタイやインドネシアなどの東南アジア諸国で栽培されています。ゴムは、主に長鎖分子であるポリマーで構成されているため、ユニークな素材です。

輪ゴムボール (写真提供:FabrikaSimf/Shutterstock)

輪ゴムが弛緩した状態、つまり伸びていない状態のとき、これらの長鎖分子は互いに絡み合っています。輪ゴムが伸びた状態になると、同じポリマーがほどけてまっすぐになります。輪ゴムがぴんと張ると、その色はしばしば明るい色合い、さらには白に変わります.輪ゴムを引っ張り続けると、実際には分子自体が自分自身伸びます。 、それらを直線に解くだけではありません。輪ゴムを「弾性域」から「塑性域」に押し込まなければ、完全に元の形に戻ります。ただし、輪ゴムを伸ばしすぎると、塑性変形が発生し、最終的に破砕点に達して折れてしまいます!

なぜ輪ゴムは温度を変えるのですか?

輪ゴムの基本的な物理的性質を理解したので、輪ゴムの予想外の熱力学的挙動に飛び込みましょう。前述のように、輪ゴムは伸ばすと熱を発し、元の状態に戻すとひんやりと感じる傾向があります。放熱といえばエネルギーの変化を連想する人が多いですが、通常のラバーハンドと伸ばしたラバーハンドのエネルギーには特に違いはありません。ただし、エントロピーには違いがあります!

輪ゴムを伸ばすと、ポリマーが整列し、無秩序なもつれがすべて解消されます。実際には、分子のエントロピーを下げていますが、宇宙はエントロピーに向かって移動することを好みます.秩序にはエネルギーと努力が必要ですが、エントロピーは物質の自然な方向です。輪ゴムが解放され、もつれと結び目の高エントロピー状態に戻ると、その収縮を引き起こす弾性力はエントロピー力と見なされます!

明らかに、ポリマーに作用するエントロピー力は伸張に抵抗しようとするため、輪ゴムを引っ張ると、材料に対して作業を行っていることになります。私たちの指や手が行うこの作業は輪ゴムにエネルギーを与えますが、ポリマーのもつれをほどく必要はありません。そのエネルギーの一部はポリマーをより速く動かしますが、残りのエネルギーは熱として放出されます。これははっきりと検出できます (伸ばした輪ゴムを頬に当ててください!)。

このプロセスの反対側では、ゴムバンドを解放すると、ポリマーは、それらをまっすぐに保つ力を克服するために、ある程度の仕事をしなければなりません.この作業を実行するためのエネルギーは、ポリマーが高エントロピーの位置に戻るときに消費される熱から得られます。周囲の空気からの熱と高振動ポリマーを利用することで、ゴムバンドが通常のリラックスした状態に戻ると、(周囲の空気よりも) 涼しく感じます。

これは、輪ゴムに関する別の奇妙な事実の背後にある理由でもあります。ほとんどの物質は低温 (血管、水、金属など) にさらされると収縮し、温められると膨張しますが、輪ゴムは逆の挙動を示します。輪ゴムに熱エネルギーを与えると、輪ゴムは収縮し続け、エントロピーが増加しますが、寒さにさらすと、輪ゴムが緩み、伸び、膨張します!

最後の言葉

次回、ポニーテールに髪を投げるときは、ロックの周りを不用意に伸ばしている輪ゴムのことを考え直すかもしれません。それらは単純なツールのように見えるかもしれませんが、熱力学の普遍的な法則のかなりユニークで魅力的なデモンストレーションを表しています.自分の人生は混沌としていると思うかもしれませんが、覚えておいてください、手首の輪ゴムから太陽の核心まで、すべてがエントロピーの方向に向かっているのです!


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