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把一根压紧的弹簧放入强酸溶液,弹簧溶解之后,它的能量哪去了?

作者:魅力科学君

弹簧作为一种典型的弹性体,具备了在外力作用下产生形变并在去除外力后恢复原状的特性,在被压紧的过程中,弹簧会经历弹性形变,并因此具备了弹性势能,我们可以将其看成是存储在弹簧里的一种能量。

把一根压紧的弹簧放入强酸溶液,弹簧溶解之后,它的能量哪去了?

那么,如果我们把一根压紧的弹簧放入强酸溶液,那么在弹簧溶解之后,它的这种能量哪去了呢?下面我们就来讨论一下这个问题。

首先来讲,由于构成弹簧的物质不可能是完全均匀的,并且压紧状态下的弹簧,其应力也不会是完全均匀地分布,因此在弹簧的溶解过程中,各个区域的溶解速度就必定会存在着一定的差异。在这种情况下,溶解速度较快的部分会首先消失,而溶解速度较慢的部分则会暂时保持一定程度的完整。

如此一来,先溶解的那一部分就相当于提供了一定程度的“反弹”空间,甚至还可能导致弹簧的断裂,这就可以让弹簧尚未完全溶解的那一部分的弹性势能得到释放,从能量转换的角度来看,这些能量会转化成它们“反弹”的动能,以及被弹簧“反弹”搅动的溶液的动能。

但问题是,弹簧先溶解的那一部分的弹性势能哪去了?是凭空消失了吗?当然不是,因为能量守恒定律告诉我们,能量不可能凭空消失,而只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其他的物体。实际上,对于这个问题,我们需要从微观层面来进行分析。

把一根压紧的弹簧放入强酸溶液,弹簧溶解之后,它的能量哪去了?

正如我们所知,原子是由原子核和电子构成,其中原子核带正电荷,电子带负电荷,所以当大量的原子聚集在一起时,其原子核会与邻近的电子群相互吸引,而邻近的原子核和原子核之间、电子和电子之间又会相互排斥,这就使得原子之间既有吸引力,也有排斥力。

需要知道的是,原子间的吸引力和排斥力的大小,其实与它们之间的距离密切相关,这可以简单地描述为,在一定的距离范围之内,原子之间的距离远一点,吸引力就会大一点,原子之间的距离近一点,排斥力则会大一点。

由此可知,只有原子之间的距离刚好使这两种力达到平衡时,大量的原子才会形成稳定的固体。

把一根压紧的弹簧放入强酸溶液,弹簧溶解之后,它的能量哪去了?

为了方便讨论,我们不妨假设这根弹簧是由单质的铁构成。从微观层面来看,呈现为固态的铁,其内部是大量的铁原子以特定的几何规律排列而成的晶体结构,我们可以简单地将其理解为,在这种结构中,所有的铁原子都在它们之间的平衡位置上振动。

为了形象直观地描述晶体中原子的排列规律,我们通常会采用“晶格”模型,在这个模型中,原子被简化为点,然后这些点通过假想的线条连接起来,就形成了一种有序的立体空间格架,这就称为“晶格”。

把一根压紧的弹簧放入强酸溶液,弹簧溶解之后,它的能量哪去了?

(↑铁在常温下的“晶格”模型)

当一根铁质弹簧被压紧后,其内部的一部分“晶格”也会发生形变,这种形变就会造成大量的铁原子偏离其原本的平衡位置,如此一来,这些偏离平衡位置的铁原子就会具备重新回到平衡位置的趋势,这就意味着,它们具备了一种势能,从本质上来讲,这种势能其实就是电势能,据此我们可以得出,压紧的弹簧在整体上所具备的弹性势能,其实就是这些电势能的“叠加效果”。

所以对于弹簧在强酸中先溶解的那一部分来讲,其具备的弹性势能其实是“化整为零”了,在溶解的过程中,那些具备电势能的铁原子有一个离开弹簧主体的过程,而在这种过程中,它们具备的电势能就会得到释放,从能量转换的角度来看,这些能量就会转化成它们的动能,通俗来讲就是,它们的速度会比弹簧没有被压紧时更快。

而在离开弹簧主体之后,这些铁原子又会与强酸溶液中的其他微观粒子发生碰撞与结合,如此一来,它们的动能又会传递给其他的微观粒子,这就会造成强酸溶液中微观粒子的平均动能出现一定程度的增加。

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而我们都知道,温度描述的其实就是物体内部微观粒子热运动的激烈程度,强酸溶液中微观粒子的平均动能增加了,其温度当然也会上升,其蕴含的热能也就增加了,因此可以说,弹簧在强酸中先溶解的那一部分的弹性势能,最终会转化成强酸溶液的热能。

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