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                    專題
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                    橡皮筋熱力發動機

                    來源:



                    主要概念
                    能量
                    高溫
                    物理
                    熱能
                    熱膨脹

                    引言
                    有沒有想過為什么橡皮筋在拉伸后很容易快速恢復到原位?當拉伸時,橡膠會用力拉回以恢復原來的形狀。它是相當有彈性的材料!當然,你會發現如果你讓一個橡皮筋有足夠長的時間繞在某個東西上——例如一年或兩年——它最后會永遠的拉開甚至突然拉斷。但是對于橡膠,是什么讓它如此頑固地抵抗永久變形?答案與它不尋常的分子結構以及熱能或高溫是如何連續作用在它的分子上有很大關系。在這個活動中,你將用電吹風和砝碼來探索橡膠分子是如何工作的。

                    背景
                    物質通常都會熱脹冷縮??茖W家把這種趨勢叫做熱膨脹,它在氣體中最明顯。如果你曾把水瓶放在熱的車里,你會熟悉打開瓶蓋時發出的熱氣和水蒸氣的嘶嘶聲。當提到液體時,熱膨脹可以用來解釋溫度計是如何工作的。通過高溫加熱,膨脹的紅色液體除了沿著溫度計的玻璃管向上外沒有別的地方可去。通常,辨認出固態物體中的熱膨脹是最難的,但是經過一個炎熱的夏天,火車軌道的長截段實際上會膨脹,并且由于熱膨脹的應力在縱向上壓縮鐵軌使其彎曲。

                    材料
                    厚、寬的橡皮筋
                    冰塊
                    膠帶
                    方格紙
                    電吹風
                    相當重的東西用作砝碼(鐵錘、訂書機、或自行車U型鎖都很好)

                    步驟
                    拿一個厚、寬的橡皮筋,每只手捏住一端。輕輕地把它展開而不拉伸它。
                    小心地把橡皮筋放到你的臉上。記錄下橡皮筋的溫度。你注意到了什么?
                    快速地拉伸橡皮筋,保持它處于拉伸狀態。再次把臉放到橡皮筋上。溫度如何變化?你覺得為什么會這樣?
                    不要馬上就讓橡皮筋回到原來的形狀——我們的目標是先讓它回到室溫!讓橡皮筋離開你的臉,等大約15秒。
                    15秒后,不把手松開,迅速釋放橡皮筋上的張力,讓它收縮并恢復初始的形狀。再次把它放到臉上。這次關于橡皮筋的溫度,你注意到了什么?你認為我們如何解釋這種現象?
                    在大約肩膀高度的墻上貼一張方格紙。
                    把你的橡皮筋纏繞在砝碼上,使得砝碼可以懸掛在橡皮筋上。
                    用你的輔手(比如,如果你是慣用右手的,那就用左手)的拇指和食指捏住橡皮筋的另一端。輕輕地把這只手的一側靠在方格紙上方的墻上一點,這樣砝碼自由地懸掛在橡皮筋上。確保砝碼不與墻接觸。
                    用你另一只手拿筆在方格紙上標記出砝碼底部的位置。
                    拿出你的電吹風,確保它設置的是熱風。打開它,把熱風對著橡皮筋吹大約15秒。讓它向下吹,這樣就不會傷到你的手。
                    橡皮筋加熱后,判斷砝碼是向上還是向下移動了。用你的筆標記下砝碼底部的新位置。你觀察到的跟你預期的一樣嗎?你覺得可以怎樣解釋你的觀察結果?
                    等一會兒,讓橡皮筋恢復到室溫。
                    現在,把冰塊擦在橡皮筋的表面。仔細觀察砝碼,判斷它是向上還是向下移動了。標記下砝碼底部的新位置。你觀察到的結果就是你預期的嗎?你認為該怎樣解釋你的觀察結果?對于你所有標記的相對位置,你注意到了什么?

                    觀察和結果
                    你注意到橡皮筋在加熱時是如何收縮的,在降溫時是如何膨脹的了嗎?如果我們把熱膨脹作為我們的唯一模型來理解物質受熱的行為,那么橡膠給我們扔了一個完全的弧線球!但是這并沒有違背熱力學定律。當然,了解橡膠在分子水平的行為對理解你的觀察結果是必不可少的。
                    原子溫度升高時,它們的振動會加速。當加熱時,簡單分子結構的物體會膨脹,因為它們的振動原子更難相互碰撞。對于橡膠則沒有那么簡單,因為構成橡膠的分子中的原子有更加復雜的結構:它們的排布像長鏈中的鏈環。當這些鏈中的一個原子被另一個原子撞擊時,被撞的原子在它的鏈中形成一個扭結,使它縮短。試想這個過程每秒在數以億計的橡膠分子上發生。橡膠由于數以億計的微小的、振動的“鏈”互相扭結而不斷收縮,而這都是由于加熱造成的!
                    當你用電吹風給系統增加更多的熱量時,這使得橡膠分子更難拉開,因為你使單個原子振動的更快了。當你在橡皮筋上擦冰塊時,帶走了大量的熱能,這使得鏈放松并形成直線?,F在,思考在這個活動的一開始,你把橡皮筋接觸到臉上的時候。當你把橡皮筋拉開時,你硬化了它的鏈,使分子更難相互撞擊,振動更快。這產生了更多的熱。當橡皮筋收縮時,折疊的鏈變松,吸收了原子的振動,使得它們振動變緩。這也引起了橡皮筋溫度的下降。
                    從本質上來說,你的電吹風把橡皮筋變成了一個熱力發動機——將熱能轉化為機械能的機器。美國物理學家理查德?費曼描述了如何制造一個更加精密的熱力發動機,它利用橡皮筋、加熱燈和自行車輪產生穩定的力矩。如果你用橡皮筋代替車輪上的輻條,車輪的輪轂仍在中心,并把車輪安裝在固定車軸上,你可以用兩個加熱燈使一組橡膠“輻條”收縮。這改變了車輪的重心,使得它不再與車軸在相同的位置。當車輪開始轉動的時候,新的橡皮筋輻條暴露在熱燈下,當這些橡皮筋收縮時,車輪的重心就會不斷地變化。重力漸漸地使車輪繞著車軸轉動,通過熱能產生了力矩。



                    (翻譯 劉夏,審校 余卉)


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