被压缩的弹簧如果放入浓酸中,弹簧溶解后的能量去哪里了?

原标题:被压缩的弹簧如果放入浓酸中,弹簧溶解后的能量去哪里了?

我们在按压弹簧时,就会使弹簧产生一定的形变,而弹簧拥有恢复原先状态的趋势,就像处在高处的小球一样,即使被线吊起,也会拥有下落的趋势一样,这种物体本身具有的能够使其本身发生位移的趋势,我们称之为这个物体具有势能。处在高处的小球具有的是重力势能,而被压缩的弹簧具有的是弹性势能。

对于弹性势能来说,其产生的基础是物体发生了弹性形变,之所以加“弹性”二字,是指在外力作用下虽然物体表面发生了形态的变化,但拥有恢复的趋势,如果外力撤除,物体就能够恢复原先的状态,这与地面被铁球砸一个坑有着本质的区别,地面被砸出坑,则属于非弹性形变,因为外力撤除以后不能恢复原来的面貌。

由于具有弹性形变的物体各组成部分之间,存在着弹性力的相互作用,因此弹性势能必须以物体具备弹性力为前提,是物体各组成部分之间弹性力综合作用下的势能总和,比如弹簧、气体、弓弦等等,都可以通过对其做功使其压缩或者拉伸,其以原始状态为基础增加的弹性势能,等于向该系统做功输入的能量。

我们在计算一个物体的弹性势能时,可以应用一个公式来进行表达:即W=1/2*k*X^2,其中k为这个物体的弹性系数,X为形变程度,当然X的值不能超过这个物体的形变极限,否则这个公式就不成立了。当这个物体的弹性势能做正功时,即通过势能的释放,对外界物体产生做功,这样物体所具备的弹性势能减少。反之,当弹性势能做负功,即外界对弹性物体做功,则就会增加物体的弹性势能。

那么,从微观层面,我们在看待弹簧所具有的弹性势能时,可以理解为铁原子与铁原子间的化学键因压缩或者拉伸而发生一定的扭曲,那么每个铁原子就都会拥有一定的弹性势能,从而在宏观上表现为物体发生了形变。当弹簧处在外力的固定之下,每个铁原子都具有弹性势能,它们的和则是整个弹簧所具备的弹性势能,这个总的弹性势能和,则等于外力对弹簧所做的功。

如果我们把固定后的弹簧放到浓酸中,会发生什么样的变化呢?首先,在弹簧外层的铁原子,会与浓酸分子发生剧烈的化学反应,生成酸性盐溶于酸液之中,那么,这部分铁原子本身所具有的弹性势能,肯定不会平白无故地消失,按照能量守恒定律,一定会转化为其它形式的能量,因为能量和物质是统一的,所以这个能量的载体一定是被剥离出去的铁原子最终的形态,即转化为游离铁原子的内能,接着在酸液的快速氧化反应中,转化为酸性盐和酸液的内能。

从分子层面看,所具有的内能体现在两个方面,一个是平均动能,另外一个是平均势能,在没有变换空间的情况下,我们可以假定酸液分子层面的平均势能基本不变,那么内能的增加,就会使得分子的平均动能出现一定的提升,粒子运动就会越剧烈,从而体现出酸液的整体温度会有微弱的增加。如果放入的弹簧足够大、并且有灵敏度非常高的测温仪,在扣除铁与酸液反应生成热量的基础上,有可能测会出这种势能转化带来的温度微弱变化来。

当然,由于弹簧在组成结构上不可能完全做到均匀化,而且在弹簧压缩的时候也不可能实现应力的完全平衡分布,因此,当它完全浸入酸液中时,与浓酸的反应也不可能是完全均匀的,因此势必会存在着弹簧的不同部位,出现酸解快慢的情况。比如物质数量最小、应力最集中的部位会率先发生断裂,那么以此为中心,两侧的弹簧都会在极短的时间内,将原本蓄积的弹性势能完全转化为动能,从而引发浓酸的剧烈扰动甚至迸溅,而动能的最终归宿,也会转换为酸液分子的内能,推动酸液温度的微弱提升。

如果再深追一点,酸液分子所提升的这么一点分子内能,最终也会在热传导、热对流以及热辐射的共同作用下,将能量传递到空气之中,为增加空气分子内能做出绵薄的贡献。正是空气分子内能的变化整体效应,才推动形成了地球上的水汽循环、物质流动、保温机制等等全球性的物质和能量转化途径,从这方面看,这与一滴水和大海的关系大同小异。

最后再提醒一下大家,这种实验除了专业实验人员、以及拥有专门的实验场所外,不要轻易去尝试,一方面铁与浓酸反应较为剧烈,会释放大量气体和热量,另一方面弹簧与酸液发生反应之后,会在一段时间之后出现断裂,从而有可能使酸液从容器中迸溅出来,因此如果操作不慎,极易引发身体被酸液或者热量灼伤的危险。即使专业人员做这个实验,也要做好必要的防护措施。

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