輪ゴムを伸ばすと発熱するのはなぜですか？

質問

輪ゴムを手で思いっきり引き伸ばすと熱くなり、引き伸ばしたまま放熱したあと、元に戻すと冷たくなります。
とっても不思議です。
これって一体なんでですか？

回答No.4

hitokotonusi

>でもエントロピー増大の法則からして少しだけエントロピーが増えてるらしいですね。

それは間違いです。
ゴムが伸びているので体積もふえてエントロピーが増えるのが自然に見えますが、
実際は横方向の縮みも考慮するとゴムの体積はほとんど変りません。
なので、膨張によるエントロピーの増減はほぼ無視できます。
ゴムのエントロピー変化は分子鎖の形態変化による内部自由度の変化によるもので、伸ばすと減少します。

気体の断熱膨張を知っていると、一見、全く逆のことがおこって既存の物理法則を破っているようにみえるので不思議ですが、実際はエントロピーの法則できちんと説明できます。これはグー・ジュール効果として知られています。

回答No.3

metzner

まず気体の例から考えましょう。

気体の断熱膨張時には気体の温度は下がり（スプレーを噴射したとき缶が冷えると思います。スプレー缶を廃棄するときに、缶に穴を開けると残留ガスが吹き出し、缶が一気に冷えます。）、気体の断熱圧縮時には気体の温度があがります（自転車の空気入れで空気をいれているとき、空気入れの筒は熱くなります。これは摩擦熱のためだけではありません。）。
「断熱」とは読んで字の如く、気体と周囲との間に熱エネルギーのやりとりがない事です。熱の伝わり方は、状況にもよりますが、非常に遅いので（暖房器具でファンが付いている理由は熱のみの伝わり方が遅いから、空気自体をファンで移動させるためです。）、スプレー噴射時間中や空気入れでシュコシュコしている時間ぐらいでは熱のやりとりをある程度無視して構いません。

ゴムの場合はそれと逆のことが起こります。すなわちゴムでは断熱膨張時にゴムの温度が上がり、断熱圧縮時にゴムの温度が下がります
なぜ逆になるかを簡単にいうと、気体はほっておくと体積を増やそうとしますが、ゴムは縮もうとするからです。

ゴムを急に伸ばしたり、伸ばしたゴムを急に縮める過程は、だいたい断熱過程とみて構いません。だから急に伸ばしたら温度が上がり、急に縮めたら温度が下がります。

温度差ができるので、それからゴムが環境の温度になるように熱移動が起こります。

お礼

回答ありがとうございます。
断熱膨張ってなんか聞いたことあります。

回答No.2

foomufoomu

重りを吊るして伸ばしたゴムひもに、ライターの火を近づけると、きゅっとゴムが縮む・・・という話は知っているのですが(実験もしました)・・・これの逆のような話ですね。

ゴムは鎖のような長い分子でできた物質ですが、普通の伸びてない状態では、分子の節々で急角度に折れ曲がっています。これを引き伸ばすと、折れ曲がりの角度が徐々に直線に近くなる、という変形をするため、ゴムは高い伸縮性を示します。

この伸びたゴムに火を近づけると、熱分子運動のため、まっすぐになった分子の折れ曲がり部分が、蛇がのたうつように折れ曲がろうとするため、縮みます。このときは、ゴムが熱エネルギーを吸収します。

おそらく、これとは逆に、ゴムを伸ばすときは、熱エネルギーの放出が起きるのでしょう。

お礼

ありがとうございます。
糸状の分子が折れ曲がるからなんですね。

回答No.1

hitokotonusi

エントロピーという言葉をご存じでしょうか。

洗面器の中に水を張ってそこに黒いインクを落すと、人間がかき混ぜなくても放置しておくとだんだんと混ざって行って、長い時間がかかりますが最後には全部が黒い水になります。特にかき混ぜるようなことをしたわけでもないのに、インクは勝手に水と混ざっていきます。これは、水とインクが別々のままよりも混ざったほうがより乱雑な状態であるためで、自然界には、このようにほうっておいたら状態がより乱雑な方向へ変化していくという性質があります。この乱雑さの程度を表す量がエントロピーです。

このエントロピーですが、エントロピーが増加する、つまり状態がより乱雑になるような変化をすると熱を吸収するという性質があります。

一方、上ではほうっておくと勝手に乱雑な状態に変化すると書きましたが、放っておかなかったら、つまり人間が外から手を加えてやると乱雑さを減らす方向へ変化させてやることもできます。この場合にはエントロピーが減少し、系は熱を放出します。

ここまでをまず把握してください。

さてゴムですが、ゴムはその内部は、ひものように非常に長い分子が繋ぎ合わされてできています。
この非常に長い分子は普通の状態では丸まった形で存在していますが、人間が引っ張ってゴムを伸ばすと、ゴムの中の長い分子は丸まった状態から引っ張った状態に変化します。このとき、乱雑さが減少します。つまりエントロピーが減少するので、ゴムは熱を放出し、人間は暖かくなったと感じます。引っ張った状態から手をはなすと、ゴムの中の分子が伸びた状態から丸まった状態に戻るので乱雑さがまします。このときエントロピーが増加するのでゴムは外部から熱を奪い、人間がさわると冷たく感じます。

お礼

でもエントロピー増大の法則からして少しだけエントロピーが増えてるらしいですね。
ありがとうございます。