Номер 1, страница 172 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Процессы, происходящие внутри растягиваемого куска резины.

1. Процессы, происходящие внутри растягиваемого куска резины.

Резина является эластомером — полимерным материалом, способным к очень большим обратимым деформациям. Её уникальные свойства объясняются процессами, происходящими на молекулярном уровне при растяжении.

Молекулярная структура в нерастянутом состоянии.
В исходном, нерастянутом состоянии резина состоит из очень длинных, гибких полимерных молекул (макромолекул), которые хаотично переплетены и свернуты в клубки. Это состояние соответствует максимальному беспорядку в расположении молекулярных цепей. С точки зрения термодинамики, это состояние с максимальной энтропией ($S_{max}$), то есть наиболее вероятное и энергетически выгодное состояние системы.

Процесс растяжения.
Когда к куску резины прикладывается внешняя растягивающая сила, совершается работа. Эта работа расходуется на распутывание и выпрямление полимерных цепей, а также на их ориентацию вдоль направления растяжения. Длинные свернутые макромолекулы начинают разворачиваться и выстраиваться параллельно друг другу. В результате материал удлиняется.

Природа силы упругости.
В отличие от упругости твердых тел (например, металлов), где сила упругости возникает из-за изменения межатомных расстояний и потенциальной энергии взаимодействия атомов, упругость резины имеет в основном энтропийную природу.
Растянутое состояние, в котором молекулы упорядочены и выстроены, является менее вероятным и соответствует более низкой энтропии ($S < S_{max}$). Тепловое движение атомов в цепях постоянно стремится вернуть систему в исходное, хаотическое состояние с максимальной энтропией. Это стремление и создает внутреннюю силу упругости, которая пытается сократить образец до первоначальных размеров. Таким образом, сила упругости в резине — это, по сути, сила, с которой система сопротивляется упорядочиванию.

Термодинамические эффекты (эффект Гофа-Джоуля).
Процессы растяжения и сжатия резины сопровождаются заметными тепловыми эффектами:
1. Нагревание при растяжении. Если резину растянуть быстро (адиабатически), она нагреется. Это происходит потому, что уменьшение энтропии, связанной с упорядочиванием цепей (конфигурационной энтропии), должно быть скомпенсировано увеличением тепловой энтропии. Увеличение тепловой энтропии проявляется как рост кинетической энергии колебаний атомов, то есть повышение температуры.
2. Охлаждение при сжатии. При быстром сокращении растянутой резины наблюдается обратный эффект — она охлаждается. Система самопроизвольно переходит в состояние с более высокой энтропией, забирая для этого часть своей внутренней тепловой энергии, что приводит к понижению температуры.
3. Сокращение при нагревании. Если нагруженную (растянутую) резиновую ленту нагреть, она сократится, а не удлинится, как большинство тел. Повышение температуры усиливает тепловое движение молекул, что увеличивает их стремление к хаотическому, свернутому состоянию (т.е. увеличивает энтропийную силу упругости), заставляя образец сокращаться.

Роль вулканизации.
Для того чтобы резина была упругой, а не пластичной (как пластилин), её полимерные цепи должны быть сшиты между собой поперечными химическими связями. Этот процесс называется вулканизацией (обычно с использованием серы). Эти "сшивки" не дают макромолекулам проскальзывать друг относительно друга при растяжении и обеспечивают возврат системы в исходное состояние после снятия нагрузки. Без них деформация была бы необратимой.

Ответ: При растяжении куска резины происходит выпрямление и ориентация его длинных полимерных макромолекул вдоль направления растяжения. Этот процесс сопровождается уменьшением энтропии (уменьшением беспорядка) системы. Возникающая сила упругости имеет преимущественно энтропийную природу: она обусловлена стремлением молекул вернуться в исходное, более вероятное хаотическое состояние с максимальной энтропией. Процесс растяжения сопровождается выделением тепла (нагревом), а быстрое сокращение — поглощением тепла (охлаждением).