压缩弹簧腐蚀后弹性势能去哪了
谁叫小明 2021-8-30原创 物理
关键词
弹性势能化学势活化能范德华力

    "小明,如果一个弹簧压缩之后放进硫酸里面被完全腐蚀了,那他的弹性势能去哪里了?"一位好奇小伙伴在一个夜深人静的夜晚问道我,当时我直觉地想象到一个弹簧压缩后具有了弹性势能,然后被硫酸完全腐蚀后弹簧就凭空消失了,随后弹性势能不就跟着凭空消失了?不!经过多年被科学氛围熏陶的我,是不会轻易相信能量会凭空消失的,我们都知道能量守恒,能量不可能会凭空出现也并不可能凭空消失,那弹性势能到底去了哪里?一时间我意识到这会是掉头发的夜晚。

    很明显,在整个反应中,弹性势能是归属于硫酸—弹簧形成的体系当中,那在整个反应过程中弹性势能是在物理层面上的势能,而化学层面的能量变化是源于旧键断裂新键形成的过程,到最后整个体系在宏观上说,所有的能量变化走向都终于内能,但是这个解释过于宏观,仅仅讨论了“弹性形变弹簧在腐蚀过程中弹性势能的最终能量走向”并未了解到弹性势能的转换过程中走向。于是我意识到我们应该讨论的是弹性势能在微观层面中能量的流动过程,当时我提出了第一个设想:

    弹性势能在微观下是原子间的力,在整个化学腐蚀反应中,弹簧上的金属原子参与了反应并离开弹簧,在离开过程中原子以运动方式将弹性势能变成了动能让化合物以一定速度离开弹簧表面,最终因为流体黏度的存在,阻力让分子慢下来,这里的动能就变成了整个体系的内能。

在该设想中,是基于弹性势能的来源是原子间的间距变大发生改变引起范德华力的改变进行讨论,若微观模型有错误则设想有极大漏洞    

    知识补充:范德华力的主要来源有三种机制(本文主要讨论其中的诱导力):

  1. Orientation Force(取向力):

    极性分子与极性分子之间固有偶极之间的作用力。

  2.  Induced Force(诱导力):

    当极性分子与另一个分子相遇时,极性分子的固有偶极所产生的电场使另一个分子的电子云变形,从而形成诱导偶极

    固有偶极与诱导偶极之间的作用力称诱导力

  3. Dispersion Force(色散力)

    分子不断产生瞬时偶极而形成的作用力

    色散力不但普遍存在于各类分子之间,而且除极少数强极性分子(如氟化氢,水)外,大多数分子间力都以色散力为主



 

    掉完头发后我倒头就睡了过去,第二天我跟一个比较专业的小伙伴讨论起这个问题,这里我称那位小伙伴为 臭屁,在讨论中臭屁让我意识到第一个设想存在很大一个错误:原子为什么是以运动方式将势能变成动能?当时臭屁直接提出了一个想法:

    旧键的键能由于存在弹性势能,因此分子间距要比正常稳态时的分子间距要小,因此分子间键能要大,也就是说要更大的能量才能使弹簧分子断键,如果不考虑能量散失在空气中的话,硫酸溶液本来的能量和弹簧体系的能量最终应该都变成了硫酸弹簧混合体系的总能量,那这么说的话,硫酸-弹簧分子间的键能就会比正常的分子键能要大。

    这里暂且不讨论其中的正确性,但是臭屁让我引出了很重要的理论:化学势,键能

(这里对臭屁提出大大的表扬,奖励你个棒棒锤)

3e0b4a6316e0090657f2b9345fe0c7a.jpg

    于是论题变成了:“弹性形变弹簧在化学腐蚀下弹性势能转化的微观具体流向”

 

     在热力学中,粒子总会有着从高势能往低势能转化的流动规律,化学势亦是如此,在酸性液体中放入反应物,新体系会向着低势能化合物合成的方向转化,而在转化的整体过程中先是需要一定的活化能将粒子处于容易反应的状态下才能进行。而在这里的部分活化能便是让金属原子克服范德华力中的诱导力,将原先处于平衡状态位置的原子从弹簧体系中剥离出来,再因离子间的取向力形成新的粒子(当然,新体系中的化学势足以提供活化能进行反应)。 0207c8f65cd979f511a5390ec250d4e.png

    若弹簧形变是由于原子间距变大产生诱导力的话,则在该模型下,将原子从r0平衡位置下剥离到“无穷远处”时,需要的能量是一定的,这里的能量便是活化能中的重要部分,若现已发生形变,原子间距变大在E(r)中从(E,r0)状态下处右移动,则原先所需的活化能则减小,因为在化学层面中整个反应过程断裂键与形成键的数目是一样的,且整体体系化学势趋于同一平衡状态下,则整体释放的能量则更多,所以弹性势能最终确实转化为体系中的内能。


随后我提出了最终的设想:

    有弹性势能的存在在微观下是原子间产生了间距,再回到化学反应中,总化学势将部分用在了偏离平衡位置所做的功,然后原子再进行新键形成,而完全剥离原子所需的能量为化学反应中的部分活化能,那原需要更多的化学势能去拉开更大的原子间距,现不需要原先多,而释放的新键形成的总能量又是一样的,则释放出来的能量增加,且增加的部分为弹性势能的总量,最终转化为内能。
所以是弹性势能提供了部分活化能,最终成为内能。

 这也成功地从微观角度解释了弹性势能转换过程中能量的走向,暂时与臭屁达成共识,认为这个解释更为合理。


    之所以发这个帖子的原因, 是这个思想挺有意思的,从本质上是物理变化影响到了化学变化,在这里仅仅只是改变了原子间的间距从而提供了一定的活化能,若有其他物理变化导致化学反应速率变化,甚至导致化学反应取向发生改变,那在现实化工合成中将会有较大意义。



 理论解释由讨论得出,若有错误欢迎指出

希望有专业的小伙伴前来指点

 

[修改于 2 个月前 - 2021-09-03 19:27:12]

来自:数理化 / 物理
3
zRed
1个月27天前
1楼

支持楼主的思考过程,不过这一段“而在这里的部分活化能便是让金属原子克服范德华力中的诱导力,”金属晶体里似乎没有范德华力 sticker


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可爱的叔丁基锂
1个月27天前
2楼

记得有人做了这个实验,温度确实比不受力时略高

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20!Dopaminor
1个月20天前
3楼

来个永动机:

海底电解水,得到氢气氧气氯气等,气体上浮时释放的重力势能可以用来发电,海越深,发电越多。(多出来的电回去电解海水)


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杂工1544
1个月20天前
4楼

关键词''应力腐蚀'',应力对化学反应确实会有一定影响且不可忽视。

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谁叫小明作者
1个月19天前
5楼
引用20!Dopaminor发表于3楼的内容
来个永动机:海底电解水,得到氢气氧气氯气等,气体上浮时释放的重力势能可以用来发电,海越深,发电越多。...

哈哈哈哈这个想法可以可以

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杂工1544
1个月19天前
6楼
引用20!Dopaminor发表于3楼的内容
来个永动机:海底电解水,得到氢气氧气氯气等,气体上浮时释放的重力势能可以用来发电,海越深,发电越多。...

这玩意有个显而易见的漏洞:体积膨胀是要做功的。

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谁叫小明作者
1个月17天前
7楼
引用杂工1544发表于6楼的内容
这玩意有个显而易见的漏洞:体积膨胀是要做功的。

估摸压强大的水比较难电解

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asdw_15951
1个月16天前
8楼

关于楼主最后的设想,晶格应力在催化科学中有相当多的应用,通过调控催化活性中心原子间距调控中间体吸附强度,从而提高催化的效率或者改变催化选择性的工作在学界已然数不胜数,例如郭少军教授2019年的Science(PdMo纳米片)就属此类。

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风萧乱人心
22天18时前
9楼

(好像前几年在哪看过?

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