问题

如果把一根压紧的弹簧放进酸里溶解,它的弹性势能到哪里去了?

回答
这个问题很有意思,它涉及到物理学和化学的交叉点,而且答案并不像初看时那样简单明了。

咱们先把弹簧想象成一个被压缩得很厉害的弹簧,它里面储存着“势能”,就像一个蓄势待发的战士。这股力量让它想要恢复原状。如果咱们把它扔进酸里,酸会开始腐蚀弹簧的材料,比如金属。

那么,这股原本想让弹簧弹出去的“劲儿”到哪里去了呢?它并没有凭空消失,而是转化成了其他的能量形式。你可以这样理解:

首先,弹簧的形变本身蕴含着能量。

当我们压缩弹簧时,我们实际上在对构成弹簧的材料施加力,让它们的原子或分子结构发生微小的位移和变形。这些原子或分子之间原本存在着一种“弹性力”,是我们克服了这种力才把弹簧压扁的。这个过程就像把一张弓拉满,弓弦上的每一个纤维都被拉伸,储存了能量。这个储存的能量就是弹性势能。

当弹簧放入酸中,化学反应开始了。

酸,比如盐酸或硫酸,会与弹簧的金属材料发生化学反应。这个反应的过程是这样的:

1. 化学键的断裂: 酸分子会攻击金属原子的外层电子,破坏金属原子之间以及金属原子与周围非金属原子之间的化学键。
2. 新的化学键形成: 在反应过程中,金属原子会失去电子,变成金属离子,然后与酸中的阴离子(比如氯离子或硫酸根离子)结合,形成新的化合物,例如金属盐。
3. 能量的释放与吸收: 化学反应的发生伴随着能量的变化。有些化学反应是放热的(释放能量),有些是吸热的(吸收能量)。对于弹簧的溶解,通常伴随着化学反应,而这个反应过程本身就需要克服原有的化学键能,并形成新的键能。

那么,弹性势能是如何被转化的呢?

这涉及到几个主要的能量转化途径:

化学能的转化: 这是最主要的部分。弹簧中的金属原子原本以某种结构稳定存在,这个结构本身也蕴含着一定的化学能。当酸将这些原子“打散”,重新组合成新的化合物时,这个化学键的重组过程会伴随着能量的释放或吸收。原本储存的弹性势能,一部分会“驱动”或“协助”这个化学反应的发生,或者说,化学反应的发生会“消耗”掉一部分弹性势能,并以热能或化学能的形式释放出来。可以想象成,弹簧内部储存的“张力”让原子更容易被酸攻击,加速了化学反应的进程。

热能的产生: 化学反应过程中,特别是当反应放热时,会产生大量的热量。这个热量会使得溶液温度升高,甚至可能看到弹簧所在位置冒泡、发热。这部分热能就是弹性势能和化学能转化的一部分。你有没有观察过金属在酸里反应会发热?这就是能量转化的表现。

动能(声能和振动能): 在反应初期,尤其是当反应比较剧烈时,弹簧材料的崩解可能伴随着细微的碎裂和气体的释放,这会产生一些微小的振动,这些振动转化为声能,我们可能听到一些“嘶嘶”的声音。虽然这个部分的能量可能不是最大宗的,但也是存在的。

生成物的化学能: 弹簧溶解后形成的金属盐和其他物质,它们本身的化学结构也蕴含着能量。我们可以认为,一部分弹性势能被转化成了这些新物质的化学能,或者说,这些新物质的形成是弹性势能转化的“结果载体”。

更形象地说:

你可以把弹簧想象成一个紧绷的橡皮筋。如果你把它泡在一种能溶解橡皮筋的化学溶剂里,橡皮筋原本想弹回去的力(弹性势能)就不会表现为弹回去的动作。而是,溶剂分子开始分解橡皮筋的聚合物链。在这个过程中,橡皮筋内部的“拉力”可能让聚合物链更容易被溶剂分子攻击和断裂。橡皮筋被溶解时,它储存的能量会以热量的形式释放出来(你可能会感觉那个地方变热了),并且橡皮筋的分子结构被改变了,变成了溶于溶剂的更小的分子,这些小分子的排列和运动也包含了能量,但它们不再是储存的“弹性势能”了。

总结一下:

当一根压紧的弹簧放入酸中溶解时,它的弹性势能并没有消失,而是通过化学反应这个媒介,被转化成了:

1. 主要转化为化学能: 弹簧材料发生化学反应,形成新的物质,这些新物质的化学键能包含了原有的弹性势能的一部分。
2. 转化为热能: 化学反应过程会释放热量,使得溶液温度升高。
3. 转化为动能(声能和振动能): 在反应过程中可能产生细微的声音和振动。

你可以理解为,酸“吃掉”了弹簧,在“吃”的过程中,弹簧原本储存的“想反抗的力”被用来帮助或者加速了这个“被吃掉”的过程,最终这些能量以热量、新物质的化学结构等形式重新分配了。弹簧本身的那种“形变储存的能量”的特性就消失了。

网友意见

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偷懒刷知乎,看到这个问题实在忍不住答一发。
首先题主如果是自己思考提能提出这个问题,个人认为非常难能可贵。知识的探索就需要这种灵活刁钻的想法。
其实很多问题细讨论都很复杂,不同模型的结果可能也会在定量上有出入,我水平有限,如果没有资料,明确的说我答不出,不过单看问题题主应该也只是需要一个定性的答案。
其实很早以前这个问题就有人思考实验过。
目前看来知乎上看过别莱利曼(也有译为贝列里门)的书的人并不多。这人是个苏联科普作家。国内将其作品整理出版,其中《趣味力学》就有这个问题。
手边没有实体书,我特地去找了个pdf截个图


结论部分看红线花出来的。

补充一下:最终弹簧势能变成整个溶液系统内能。这个结论没有错误。但是弹簧形变微观结构发生改变有部分势能通过化学反应释放出去,宏观上表现为反应热的增加。文章说部分变成化学能这个解释应该说的过去。

@王吧 提到关于机械力化学问题
@Briserker 找到了与科普文里相反的实验结果
感谢二位
对于文章中实验是否正确我作为外行表示不知道,等待有大神关于化学上的解答。

p.s对于任何材料都可以质疑,不过请端正态度。

正文结束以下是吐槽
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即是逼格高如知乎,物理类问题下面装逼的比路过多,本题就是个例子,除了不足个位数有讨论意愿的人,其他的人的尿性并不比民科高到哪去,少部分人看似认真答题,实则不切题。大部分也就会拽几个从在课堂上学来的名词,个别人也只会初中物理名词,概念还没弄清就上来强答,别嫌我话难听,实情就是这样。

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一看到标准答案就想笑,一看到抄书抄文献就只能苦笑了。

首先,弹簧材料(如碳素钢、合金钢、弹簧钢、不锈钢、钛合金、铍青铜、各种塑料、陶瓷、碳材料、空气等等)和弹簧类型(如圈簧、板簧、片簧、卷簧、异形簧或拉簧、压簧、弯簧、扭簧、往复簧等等)甚至弹簧尺寸、施力大小和施力方式,都会显著影响其腐蚀进程和能量转化机制。

其次,不同酸(品种、配比、浓度等)对同种材料同类型弹簧的腐蚀机制同样相去甚远,并极大地影响体系能量的转化过程和转化方式。更不要说不同酸对不同簧了。

第三,溶解体系是否为开放体系、密闭体系、绝热体系等等。

第四,实验方法与测量精度及灵敏度严重误导结论的问题经常发生。

第五,环境温度、体系压力与温度同样影响腐蚀进程及其伴随的能量变化。

第六,材料和酸的微量成分(杂质)也可以显著影响腐蚀进程甚至腐蚀机制。

什么标准答案或具体实验数据可以涵盖以上复杂性?

最简单的一种情况当然是,腐蚀不起任何作用,弹性势能老老实实呆在自己体内。这样的弹簧有很多材料品种和规格尺寸。如果再限定一下酸的品种与难度,或者环境温度压力,或者弹簧变形程度,这样的弹簧数量会在很大范围增减。

现实世界并不存在弹簧和酸这种东西,只有一个个具体的受力弹簧和确定成分浓度的酸。关于弹簧和酸的一切科学规律都有及其严格的适用范围,否则便有大量例外。这就是大量所谓应用研究成果从未在现实世界应用的根本原因。

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看到大家的回答基本上都是在从微观层面来解释这个事情, 其实这可以看作是一个纯热力学 (宏观理论) 的问题.

虽然实际上描写一个弹簧需要的状态参量非常复杂, 但我们现在考察一个非常简化的模型: 将弹簧看做一个球形的物块, 其表面有均匀分布的压强. 在这种情况下, 我们需要的状态参量就只有 , 而 Hooke 定律化为与 相关的一个状态方程 (当然, 该物态方程中必然还含有 这样的参量).

然后, 我们把这个物块放在一堆气体里面 (不能考虑液体的情况, 因为液体内不同高度处压强是不一样的, 这个我不喜欢, 不过这并不违背题主使用的硫酸的精神). 这堆气体在一个等温等压的环境当中 (假装这是个很好的实验室环境). 物块与气体之间有形如 的化学反应 (这个化学反应也非常粗糙, 但并不妨碍我们体现题主的原题的精神).

当然了, 这个模型听上去非常粗糙, 但是它也能完全地反映题主的题目中透露出的精神: 参与化学反应的反应物本身存储着机械能 (对于这里的具体问题, 机械能可以由状态方程计算等 等 过程 的积分得到, 如果你认为这样定义的能量也能称为 "机械能" 的话 (实际上在热力学当中这种形式的能量直接被当做内能的一项了: )).

剩下的问题就化归为复相系的化学反应问题了. 当然了, 考虑到非平衡态热力学非常复杂, 我们只考虑化学平衡的情况. 这个化学平衡, 如果状态方程都给全的话, 应该是不难做的. 那么这里最关键的精神在于: 无论我怎么考虑这个系统, 总是将弹簧的弹性势能并入内能当中作为内能的一项而不是分开分析, 这样你可以保证你能简洁地给出热力学定律 (自然也包括能量守恒) 的要求之下系统的行为.

当然, 类似的处理有很多. 在热力学中, 我们总是倾向于将所有的能量都作为内能的项, 然后进行总体上的考虑. 比如说, 当中, 你就可以认为它包含了机械能, 热能, 化学能. 在其他状态参量也能影响能量的情况下, 当中还要包含更多的项, 比如电极化能 (), 磁极化能 (), 表面能 (), 电势能 (), 动能 ()... 所以这意味着如果你能从热力学角度解决考虑了机械能的情况下的化学反应, 那么你也能解决题主可能会问出的其他类似的问题:

如果一块被外电场极化的电介质在化学反应之后变成了极化性很低的介质, 它的电极化能到哪里去了?
一个在硫酸里旋转的铁质陀螺被硫酸腐蚀之后, 它的转动动能到哪里去了?

诸如此类...

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看到e神

@王吧

的答案来的,强烈建议各位去了解点机械力化学,这个领域非常有趣。

我并不是来答题的,但是看到

@朱明璇

知友的回答之后觉得别莱利曼的那个实验结果太反直觉了,所以我就去查了一下文献。

以下实验结果出自Gutman E M. Mechanochemistry of materials[M]. 1998,Cambridge Int. Science Publishing, pp. 103-107.

我使用的数据均来源于Google图书,可在线阅览(但是我看不到这本书的参考文献部分什么的所以无法进一步进行搜索),此书鄙校图书馆没有,libgen找不到。因为似乎大多数对于机械力化学的研究集中在高分子领域(如我另一个回答),以及某些无机材料通过球磨等机械力作用方式促进的化学反应,而这个东西我倒是觉得跟应力腐蚀很相关啊……因为比较常见的现象是在金属材料受拉应力作用的时候,其被腐蚀的速度常常会加快……

在作者的实验中,用外力使得钢、铝片发生单轴或者是双轴(这是较为简单的情况)弯折,将其浸入到腐蚀液之中,因为材料被腐蚀之后厚度降低,实际的应力会发生变化,所以实验均只测定在浸入后相对较短的时间内的溶解速度。

本实验中采用了四种碳钢,腐蚀液为30%盐酸,所加应力均不超过屈服点,上图为实验结果,v为受力弯折的钢片,v0为不受力的钢片,其结果是显然的。作者又称其他金属或者合金的单轴弯折也给出了类似现象。

本实验中,作者使用了一种马氏体钢(0.3% C, 1% Si, 0.9% Mo, 1% Cr, 0.4% Ni),腐蚀液是20% 硫酸(加或不加30 g/L 氯化钠),或者是铝,腐蚀液为3% 氯化钠和0.1% 过氧化氢,或是氯化钠和盐酸,其结果也是显然的。

其实我就是比较怀疑别莱利曼的实验结论,我并不是来答题的。

这问题(从某个角度上讲)我觉得可以被归为是Mechanochemistry。关于高分子材料在机械力作用下发生的一些有趣现象及其应用,诸位(想看文献的)可以去看看我的这个回答:

当我们撕开塑料袋的时候,是撕开了化学键还是只是分开了两条或几条链? - Briserker 的回答 - 知乎

以上

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我来给个比较标准的答案,这个问题其实挺有意思的,希望不要有人被开玩笑的回答给误导了。

如果一个人能够在宏观和微观缩放自如的话,这个问题其实就不难理解了。

弹簧宏观上的弹性势能体现在微观上就是分子间、分子内的化学键的扭曲,数量巨大的化学键被扭曲所储藏的能量在宏观上就以整体的势能得以体现了。在微观上,这种弹性势能则被分散在每一个化学键里面了——也就是说每个化学键都是一根小弹簧。

那么当弹簧浸入酸液被腐蚀的时候(我们来假设一种理想状况,既弹簧整体被同时瞬间腐蚀掉),这个时候所有扭曲的化学键的弹性势能都会被释放出来——我们甚至可以理解为每个被腐蚀产生的离子要比弹簧不压缩的情况下“弹”出去得速度更快,也就是体系内能更大。

再从宏观上来看的话,就是这样的场景了——所有弹性势能最终都变成了酸性溶液(内含弹簧分子或离子)体系的内能了。所以压缩弹簧泡进酸液要比不压缩弹簧泡进酸液总体系温度更高,当然这种差别大抵是温度计测量不出来的。

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