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橡皮筋是我们日常生活中常见的弹性材料。当我们用力拉伸橡皮筋时,它会变长;松开手后,它又能自动弹回原来的形状。这种神奇的弹性现象背后,隐藏着有趣的分子结构原理。
橡皮筋的主要成分是聚合物,由许多长链状的分子构成。这些聚合物分子链就像一根根柔软的绳子,在自然状态下,它们会卷曲、缠绕在一起,形成一种无序的、混乱的排列状态。这种无序状态在热力学上是最稳定的。
当我们用力拉伸橡皮筋时,原本卷曲缠绕的分子链被外力强制拉直,沿着拉伸方向整齐排列。这个过程中,分子链从原来的无序、高熵状态转变为有序、低熵状态。这种状态在热力学上是不稳定的,分子链具有恢复到原来无序状态的自然倾向。
根据热力学第二定律,系统总是倾向于向熵增加的方向发展。被拉直的分子链处于低熵的有序状态,这在热力学上是不稳定的。分子链具有恢复到高熵无序状态的自然倾向,这种倾向产生了向内的恢复力,推动橡皮筋收缩。
当我们松开手后,拉直的分子链在熵驱动的恢复力作用下开始收缩。分子链逐渐从有序的拉直状态恢复到无序的卷曲状态,橡皮筋也随之弹回原来的形状和长度。这就是橡皮筋弹性的根本原理:分子结构的有序与无序之间的转换。