把壓緊的彈簧放入強酸中,在彈簧溶解之後,彈簧的能量到哪去了?

2022年07月08日03:59:10 科學 1513

彈簧本身是具有彈性的,在被壓緊之後,彈簧就會具備恢復初始狀態的趨勢,並因此擁有了彈性勢能,我們可以將其看成是儲存在彈簧這個整體系統中的能量,那麼問題來了:假如把壓緊的彈簧放入強酸中,那在彈簧溶解之後,彈簧的能量到哪去了呢?

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能量守恆定律告訴我們,能量是不可能憑空消失的,彈簧的能量當然也不會例外,為了方便討論,我們不妨用鐵質的彈簧來舉例說明。

從微觀的層面來講,一根鐵質的彈簧是由大量的鐵原子通過原子間的相互作用結合而成,由於原子核是帶正電的,電子則是帶負電的,因此在相鄰的原子之間,原子核就會與鄰近的電子群相互吸引,與此同時,鄰近的原子核和原子核之間、電子和電子之間又會相互排斥。

也就是說,原子間的相互作用既有吸引力,也有排斥力,它倆的強弱程度與原子之間的距離密切相關(如下圖所示)。

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(註:圖中的橫軸代表原子之間的距離,縱軸代表原子之間的相互作用力)

可以看到,當距離小於“r0”時,原子之間的相互作用就表現為排斥力,當距離大於“r0”時,原子之間的相互作用就表現為吸引力,如果距離超過了一定的程度,原子之間的相互作用就可以忽略不計。

在原子之間的距離為“r0”時,兩者合力為零,而只有在這個平衡位置上,相鄰原子才可以保持穩定,所以當大量的原子結合在一起的時候,總是會趨向於原子之間的平衡位置。

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上圖為鐵在常溫下的晶體結構的基本單元,這是一種體心立方晶格,在這種結構中,所有的鐵原子都在原子之間的平衡位置上振動,對於一根未經壓縮的鐵質彈簧來講,其內部的晶體結構也是如此。

在彈簧被壓緊之後,其內部就有大量的晶格會因為受到壓迫而發生形變,而這也就意味着,有大量的鐵原子因此而偏離了原來的平衡位置。

在這種情況下,這些鐵原子就會因為原子之間的相互作用而具備了回到平衡位置的趨勢,並因此擁有了勢能,這種勢能的本質其實就是電勢能,這些電勢能疊加起來,就在宏觀層面上表現為彈簧的彈性勢能。

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在彈簧被強酸溶解掉的過程中,會有一個鐵原子脫離主體的過程,對於擁有電勢能的鐵原子來講,當它們脫離主體的時候,電勢能就會轉化成其自身的動能,換句話說就是,這些鐵原子的速度會比正常狀態(即彈簧沒有壓縮)更快。

在此之後,這些鐵原子的動能會以碰撞的形式傳遞給強酸溶液中的其他微觀粒子,最終表現為強酸溶液的熱能,為什麼是熱能呢?因為從微觀層面來看,熱能的本質就是微觀粒子的熱運動。

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所以我們就可以得出一個結論,即:假如把一根壓緊的彈簧放進強酸中溶解掉,那麼彈簧的能量(彈性勢能)就會“化整為零”,然後轉化成強酸溶液的熱能,這並沒有違背能量守恆定律。

也就是說,在其他條件不變的情況下,壓緊的彈簧被強酸溶解掉之後,其釋放的熱能會比沒有被壓縮的彈簧要多一點,從而使得強酸溶液的溫度更高。不過這種溫度上的差異非常細微,以至於我們必須要非常精密的檢測儀器才能發現,為了說明這一點,我們不妨來看一個具體的例子。

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彈性勢能可用公式“U = 0.5kx^2”來計算,其中k為彈性係數,x為形變量,假設有一根彈簧的彈性係數為1000牛/米,最多能夠被壓縮0.1米,那麼將這根彈簧壓緊之後,它的彈性勢能最多就只有5焦耳,而這麼小的能量只能讓1升水的溫度升高0.0012K,可以說是微乎其微了。

需要指出的是,只有在理想情況下,放入強酸溶液中的彈簧才可能均勻地溶解,但由於彈簧的構成物質不可能做到完全均勻,再加上彈簧壓緊之後的應力也不可能完全均勻地分布,因此實際情況應該是,彈簧的各部位的溶解速度會有快有慢。

在這種情況下,彈簧先溶解掉的那一部分,會給後溶解的那一部分提供一定程度的反彈空間,而彈簧的反彈又會攪動附近的溶液,在這個過程中,壓緊的彈簧的一部分彈性勢能,就會轉化為彈簧的動能以及被彈簧攪動的溶液的動能。


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