橡皮筋熱力學 - 跟著鄭大師玩科學

藉由橡皮筋的拉長或放鬆來感受其溫度的變化，並試著思索造成這種溫度變化的機制是甚麼? 在回答這個問題之前，請先做一個實驗，將橡皮筋纏繞在杯子上數 ... 　12,256次閱讀 藉由橡皮筋的拉長或放鬆來感受其溫度的變化，並試著思索造成這種溫度變化的機制是甚麼?在回答這個問題之前，請先做一個實驗，將橡皮筋纏繞在杯子上數圈，然後放進冰箱的冷凍室，隔天取出並迅速將橡皮筋解開而放在桌面上來觀察橡皮筋的形狀變化，了解橡皮筋被室溫加熱時有自動縮短的特性，接著才來思考為何橡皮筋拉長時會放熱而縮短時則是吸熱。

在「愛情運勢占卜」的連結影音中，以吹風機加熱氣球時，氣球的長度會變短，這項實驗說明同樣是橡膠所製成的橡皮筋在受熱時是會收縮的。

而橡皮筋或是氣球產品是在天然橡膠中加入3％的硫，由於硫化的程度低，分子間交聯較少，故仍保有線型結構。

因此，橡皮筋拉直時構形數目變少（亂度熵變小），而橡皮筋放鬆時，構形數目則變多（亂度熵變大）。

因此，對橡皮筋加熱時，其朝向增加亂度的方向進行，亦即加熱時其長度將會變短。

由於在熱力學中，自由能的定義是：自由能G=系統的熱含量H－溫度T×熵S。

而且，自然驅動的系統其自由能必須下降。

自然驅動的系統發生變化的原因有兩種：一是降低系統的內能（熱含量），另一則是增大系統的亂度（熵）。

因此萬物皆趨向於降低能量或增大亂度，故山崩海嘯乃至煙消雲散皆是自然之理。

也就是系統能量越低或亂度越大，皆有助於自由能的下降。

譬如汽水中CO2的溢散是自發性的吸熱反應，這是因為CO2散逸後，增大的亂度足以補償所吸收的熱能，使得自由能仍下降。

而水蒸氣遇冷凝結也是自發性的放熱反應，這是因為亂度雖然降低，但由於釋出的熱能足以補償所損失的亂度，所以自由能還是下降。

至於拉放橡皮筋所伴隨的放熱或吸熱現象，是因為拉直橡皮筋時，由於此時亂度熵變小，但因為外力對系統作功，造成系統的內能增加。

所以橡皮筋必須升溫，才能符合系統自由能G=H－T×S會下降之趨勢。

另一種合理的解釋則是：當外力將橡皮筋拉長時，如果橡皮筋是朝向降溫的趨勢進行。

由於低溫時的橡皮筋會自動伸長，此結果將造成橡皮筋不需增加外力即可再度伸展，然後又會繼續降溫。

此過程反覆進行，將形成橡皮筋只要將它稍微拉長，它就會自動越變越長，而且溫度還一直持續下降。

這樣的結果將違反熱力學第二定律，亦即我們不可能製造出橡皮筋夢幻冷氣機－不僅不須電能，還自動將熱能轉變成橡皮筋的彈力位能儲存。

根據這個理由，將橡皮筋拉長時溫度就必須上升。

同理，放鬆時橡皮筋的溫度就必須下降。

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