Вы думаете о лего или головоломке. Вы должны думать об огромных числах и крошечных размерах. Есть$10^{23}$молекулы в моле. Атомные размеры меньше$10^{-9}$метров. Разорванная решетка не подойдет для головоломки, если ее сдвинуть дальше этого последнего небольшого расстояния, потому что молекулярные силы не будут совпадать. Кроме того, разрыв сместит расположение атомов и молекул с двух сторон, что на таком микроскопическом расстоянии сделает слияние еще менее вероятным.

Прежде всего, вам нужно понять, как резина держится вместе. Резина, пластик, углеродное волокно и почти все формы живой ткани скрепляются одним и тем же образом. Все или большая часть молекул представляют собой длинные цепочки, повторяющие либо один и тот же простой узор, либо несколько немного отличающихся друг от друга узоров, организованных в случайном порядке. В некоторых случаях струны имеют длину в несколько тысяч атомов. Когда струны плотно упакованы вместе, они притягиваются друг к другу, поэтому в конечном итоге они слипаются, и из-за переплетенной структуры общая сила намного больше, чем это притяжение между двумя плоскими поверхностями.

Если вы потянете достаточно сильно, чтобы сломать такую ​​структуру, произойдет одна или две вещи одновременно:

1. Молекулы выскальзывают из своей взаимосвязанной конфигурации, в результате чего в обеих половинах объекта остаются дыры, где раньше находились молекулы, теперь принадлежащие другой половине, в этих дырах вакуум, поэтому они коллапсируют почти мгновенно, все потерянные нити оборваны. концы падают к объекту, и большинство тех поверхностей, к которым притягивались две половины, в конечном итоге притягивают поверхности той же половины. Таким образом, нет места для реформирования связей, которые раньше были. Если вы соедините два конца вместе, вы можете только надеяться на образование соединения вдоль поверхности разрыва, которое будет намного слабее, поскольку в нем отсутствует чередование, и даже это часто невозможно, поскольку воздух между двумя объектами препятствует их соединению.

2. Молекулы ломаются. Когда вы разрушаете молекулу чистой силой, в результате получаются две молекулы, как правило, радикалы. Эти радикалы будут быстро реагировать с другими молекулами, особенно с другими радикалами, поэтому разорванные концы, как правило, либо связываются друг с другом, либо захватывают некоторые атомы из воздуха, чтобы залатать дыру и перестать быть радикалами. В любом случае это оставляет сломанные концы в состоянии, в котором они не могут просто воссоединиться со своим старым аналогом.

Каучук, в частности, представляет собой материал, который требует много времени для оседания, молекулы обычной резиновой ленты медленно меняют положение, создавая и разрывая связи между молекулами. Это означает, что некоторые резиновые ленты действительно могут со временем снова соединиться (или стать большим комком в упаковке), давление или тепло могут ускорить процесс. К сожалению, это смещение также в целом делает резину слабее со временем, если она сместилась достаточно, чтобы воссоединиться, она, вероятно, также сместилась достаточно, чтобы стать бесполезно слабой.

Ваш вопрос совершенно справедлив, несмотря на то, что большинству людей он может показаться странным, поскольку причина выглядит очевидной.

Существует свойство системы, называемое энтропией , которое не должно уменьшаться для любого процесса (проведите небольшое исследование в Интернете; у вас могут возникнуть проблемы с пониманием этого, поскольку вы учитесь в старшей школе). Во Вселенной происходят только те процессы, при которых энтропия системы либо остается неизменной, либо увеличивается. Для всех реальных процессов энтропия увеличивается (остается такой же для идеальных обратимых процессов).

Когда вы прикасаетесь к чему-то горячему, тепло передается от этого предмета вашему телу. На это можно возразить: «Почему не наоборот?» Ваш аргумент будет справедлив, поскольку закон сохранения энергии не будет нарушен, даже если тепло будет передаваться от вашего тела к этому горячему объекту. Вы можете привести такой аргумент почти ко всем процессам реальной жизни.

В случае, если ваша резинка порвется, она не будет снова прикреплена, чтобы стать прежней, даже если вы попытаетесь отменить все энергетические изменения, которые вы сделали на молекулярном уровне (удерживание кусочков вместе также является такой попыткой).

Ключ ко всему — изменение энтропии. Итак, ответ на ваш вопрос: резинка не прикрепится снова автоматически, потому что при этом уменьшится энтропия системы.

И не стоит недооценивать энтропию. Это обсуждается в теориях высокого уровня, таких как теория струн, КТП. Изменение энтропии иногда называют «стрелой времени».

Многие из предлагаемых ответов сосредоточены на энтропии и низкой вероятности того, что все микроскопические компоненты процесса объединятся, чтобы привести к реформированной полосе. Я не уверен, что эти ответы относятся ко второй части вашего вопроса: будет ли группа реформирована, учитывая бесконечное время ? Прежде чем перейти к моему подходу к ответу на ваш вопрос, кратко рассмотрим резину.

Немного химии

Предположим, что резиновая лента изготовлена ​​из натурального каучука, представляющего собой полимер изопрена с некоторыми примесями. Мы будем игнорировать примеси. Изопреновый полимер, или полиизопрен, выглядит так:

Эти длинные цепочки (n легко > 10^4) могут скользить и скользить одна по другой, и без какой-либо устойчивости они представляют собой действительно дерьмовый материал для скрепления вещей (жеваный кусок жевательной резинки, сформованный в форме ленты, был бы лучше). эластичность и устойчивость). Чтобы придать натуральному каучуку стабильность и эластичность, полимеры сшивают путем вулканизации . Добавляется сера, которая образует мосты между соседними полимерами, позволяя им двигаться, но не слишком далеко . Сшитые полимеры выглядят примерно так, хотя обратите внимание, что фактический материал не имеет такой высокой плотности серы, как показано на этом рисунке.

Некоторые реакции

Давайте пройдемся по вашему мысленному эксперименту. Когда резинка растягивается до предела, химические связи разрываются. Глядя на перекрестно-сшитое изображение выше, варианты: облигации SS, облигации SC и облигации CC или C=C. Глядя на энтальпии диссоциации связи , мы видим, что связи SS и SC являются самыми слабыми из набора; поэтому, по всей вероятности, связи, которые разрываются, - это связи, добавленные в процессе вулканизации / сшивки.

В упрощенном виде мы можем выразить разрыв резиновой ленты следующим образом:

Я использую здесь двойные стрелки, потому что в вашем мысленном эксперименте мы предполагаем, что разрыв ленты является обратимым процессом. Учитывая, что для разрыва связи требуется энергия, само собой разумеется, что ваша гипотеза имеет некоторые основания; а именно, образование связи энергетически осуществимо и должно произойти при наличии достаточного времени, что приведет к преобразованию полосы.

Немного термодинамики

Химические реакции могут протекать под термодинамическим или кинетическим контролем . Я интерпретирую ваше утверждение «... учитывая бесконечное время ...» как что является продуктом этой реакции под термодинамическим контролем? . Поэтому нам нужно посмотреть на свободную энергию Гиббса реакции диссоциации связи, чтобы определить термодинамически предпочтительные продукты ($S\cdot + C\cdot$против.$S-C$, или сломанная полоса против целой полосы). Для термодинамически благоприятного процесса$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$,$\Delta G$должен быть отрицательным. Для разрыва связи,$\Delta H$положительный и$\Delta S$положительно, а это означает, что$\Delta G$отрицательно, когда$T \Delta S$больше, чем$\Delta H$. Следовательно, мы можем утверждать, что существует температура, при которой разрыв резиновой ленты термодинамически выгоден. Интуитивно это имеет смысл: нагрейте резинку, и в конце концов она перестанет быть резинкой. Поскольку нас интересует обратная реакция, мы меняем знаки термодинамических свойств, и образование связи (восстановление полосы) будет термодинамически выгодным при низких температурах (хотя эта низкая температура может быть очень близкой к абсолютному нулю, в которой начинается химия ). становится странно ).

Вывод

Поэтому я думаю, что ключом к этому вопросу является использование вами термина « бесконечный », который переводит нас из кинетического режима в термодинамический режим. Я также делаю некоторые довольно серьезные предположения (например, аппроксимируя разрыв/формирование полосы одним типом разрыва/формирования связи ), которые могут быть слишком широкими. При этих ограничениях термодинамика предполагает, что сформированная полоса более благоприятна, чем разорванная. Если моя модель слишком упрощена, вы можете использовать тот же процесс с более консервативными предположениями.

На самом деле, подобные термодинамические мысленные эксперименты не очень полезны. Например, алмаз более термодинамически стабилен, чем графит. Я не собираюсь завоевывать соседскую девушку, давая ей карандаш и говоря: «Моя любовь к тебе так же вечна, как и этот бриллиант». Как только вы вернетесь в царство конечного времени, кинетический контроль возьмет верх, и энергетические барьеры для формирования резиновой ленты станут слишком высокими, чтобы произошло восстановление.

Вы разорвали химические связи между молекулами, вложив энергию, которая затем рассеялась. Вы также исказили структуру молекулы. Чтобы исправить это, вы должны снова ввести энергию. Удержание частей вместе не дает энергии и не изменяет структуру молекулы. Ответ на ваш второй вопрос - это нет.

Точный механизм зависит от материала. Простые материалы (неорганические) легче анализировать. Самый простой ответ: если вы соберете их вместе, они соединятся, при условии, что размер небольшой. Например, при холодной сварке проволока диаметром менее 10 нм соединяется простым контактом. Точная механика зависит от того, какая межмолекулярная сила действует.

По словам Гроува Карла Гилберта

На мой взгляд, кажется, что разница только воображаемая, а не реальная. Жесткость и пластичность — термины не абсолютные, а относительные, и на самом деле все твердые тела одновременно твердые и пластичные. Кажущийся контраст между двумя свойствами принадлежит лаборатории и тем явлениям природы, в которых участвуют малые массы и малые силы. Когда участвуют большие массы и большие силы, как, например, в создании континентов и горных цепей, различие теряет ценность. Явления строения гор показывают, что при значительных напряжениях большие массивы горных пород изгибаются и текут.

Это кое-что объясняется в этом видео