Sbírka fyzikálních pokusů

Zkrácení gumy při zahřívání (Goughův-Jouleův efekt)

Pokus číslo: 4296

• Cíl pokusu

  Pokus ukazuje, jak se natažená guma při zahřátí zkrátí.

• Teorie

  Podobně jako u kapalin a plynných látek, také objem pevných látek je závislý na jejich aktuální teplotě. Většina pevných látek svůj objem, příp. délku, se zvyšující se teplotou zvětšuje. Tento případ je podrobně popsán v experimentu Teplotní objemová roztažnost kovů. Elastomery, mezi které patří i běžná guma, se však chovají odlišně než většina pevných látek a velmi záleží na tom, zda jsou aktuálně zatížené (tedy prodloužené na větší než svoji klidovou délku).

  Pokud je guma na začátku experimentu zatížena, její délka se při zvýšení teploty zkracuje. Tento jev (někdy označovaný jako Goughův-Jouleův efekt) je důsledkem polymerní struktury gumy. Při zatížení se polymerní řetězce natáhnou a změní se jejich vzájemné uspořádání. Při zahřívání gumy dochází k dodání tepla molekulám polymeru, které se následně stáčejí do energeticky výhodnějších konfigurací, což se navenek projeví jako zkracování gumy. Při následném snižování teploty se guma vlivem mechanického namáhání opět natáhne.

• Pomůcky

  • stojan na uchycení gumy
  • pravítko
  • infrazářič (nebo fén)
  • guma (používali jsme čtyřhrannou tzv. leteckou gumu)
  • závaží

• Postup

  1. Na stojan připevníme ve gumu ve svislé poloze a zavěsíme na ni závaží, abychom dosáhli počátečního natažení gumy.

  2. Pravítko umístíme tak, abychom na něm mohli sledovat změnu délky gumy, a tedy i změnu polohy závaží. Ve vzorovém experimentu jsme na gumu navíc připevnili vodorovnou ručku, která umožnila tyto změny snadno sledovat. Uspořádání experimentu ukazuje obr. 1.

  

  3. Zapneme infrazářič a na pravítku pozorujeme, jak se ručka ukazatele v důsledku zkracování gumy pohybuje.

  4. Když jsme s výsledkem spokojeni, vypneme infrazářič a necháme gumu znovu zchladnout.

• Vzorový výsledek

  Možné provedení pokusu zachycuje video níže.

  Při zahřívání gumy se její délka zkracuje a ručka ukazatele se posouvá směrem vzhůru, při chladnutí gumy se její délka prodlužuje a ručka se posouvá dolů.

• Technické poznámky

  • Alternativně je možné zahřívat gumu fénem – proud vzduchu ale může závěs rozkývat a může být obtížnější sledovat změnu polohy ručky.

  • Ručka, které umožňuje snadno sledovat pohyb závaží, je vhodným vylepšením experimentu, ale není nezbytná. Samozřejmě můžete pozorovat změnu polohy závaží přímo (jak ukazují obrázky v tomto článku), jen je třeba počítat s tím, že jde o změnu velmi malou, typicky v řádu milimetrů.

• Metodické poznámky

  • Zdůrazněme, že celý experiment předpokládá, že začínáme s gumou, která je již zatížená, protažená na délku větší, než je její délka klidová.

  • V pokročilejších textech bývá Goughův−Jouleův efekt vysvětlován jako důsledek změn entropie gumy. Polymerní řetězce, ze kterých jsou elastometry včetně gumy tvořeny, mají v klidovém stavu mnoho možných chaotických konfigurací, což odpovídá vysoké entropii. Mechanické natažení gumy řetězce částečně narovnává, čímž entropii systému sníží. Následným zahřátím se tepelný pohyb molekul v řetězcích zintenzivní, což opět zvyšuje jejich neuspořádanost a vede k růstu entropie. Zkrácení gumy při zahřívání lze tedy interpretovat jako důsledek zvyšování její entropie vlivem dodání tepla. Tyto myšlenky jsou zachyceny na obr. 2, který byl převzat z článku Rubber as an Aid to Teach Thermodynamics.