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如果將一根壓縮的彈簧放進(jìn)硫酸中溶解，最終它的彈性勢(shì)能去哪了？

文章插圖
眾所周知，金屬鐵是可以和硫酸反應(yīng)的，在反應(yīng)過(guò)程中，鐵會(huì)逐漸溶解，生成硫酸亞鐵和氫氣。那么根據(jù)這樣一個(gè)現(xiàn)象我們?cè)賮?lái)思考這樣一個(gè)問(wèn)題：如果將一根自然伸展的彈簧與一根相同規(guī)格、但是被壓縮的彈簧分別放進(jìn)兩杯一樣參數(shù)的硫酸溶液中進(jìn)行反應(yīng)，最終所得到生成物將會(huì)是一樣，那么被壓縮的彈簧比未壓縮的彈簧多出來(lái)的彈性勢(shì)能去哪里了？
我們知道，目前還沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠打破能量守恒定律，因此這部分彈性勢(shì)能一定是變成了其它形式的能量，那么這部分彈性勢(shì)能是變成了什么能量呢？在解答這個(gè)問(wèn)題之前，我們需要先從彈簧彈性勢(shì)能的本質(zhì)說(shuō)起。
彈簧的彈性勢(shì)能一根富有彈性的彈簧，無(wú)論我們對(duì)它進(jìn)行壓縮還是拉伸過(guò)程，彈簧都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“抵抗力”與之平衡，同時(shí)會(huì)將我們對(duì)彈簧所做的功存儲(chǔ)起來(lái)變?yōu)閺椥詣?shì)能。那么這個(gè)“抵抗力”是怎么產(chǎn)生的呢？
彈簧中“彈力”的產(chǎn)生
對(duì)于鐵彈簧而言，金屬鐵中的原子之間主要是以金屬鍵進(jìn)行結(jié)合，并且原子之間會(huì)存在相互相互作用力，這個(gè)力與原子之間的間距有關(guān)，當(dāng)原子間距過(guò)小時(shí)，原子之間的作用力則會(huì)表現(xiàn)為斥力；原子間距過(guò)大時(shí)，則會(huì)表現(xiàn)為吸引力，而在這之間存在一個(gè)位置的斥力和吸引力相等，這個(gè)位置也就是平衡位置，如下圖中的r0位置，而這個(gè)點(diǎn)也就是勢(shì)能最低點(diǎn) 。
分子/原子之間的作用力
彈簧中的鐵原子主要以晶體的形式存在，而晶體之間原子的排列是整齊有序的，每個(gè)原子都處于平衡位置，也就是處于勢(shì)能最低的狀態(tài)，當(dāng)我們對(duì)彈簧施加力的作用時(shí)，這種平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，固體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，導(dǎo)致原子之間的間距發(fā)生變化，從而使原子之間的作用力發(fā)生變化。無(wú)論我們對(duì)彈簧施加壓力還是拉力，原子之間間隙都會(huì)發(fā)生變化，于是會(huì)產(chǎn)生斥力或引力，在宏觀上就表現(xiàn)為彈力。
晶體中的原子結(jié)構(gòu)
由于形變的產(chǎn)生，使原子偏離了其所在環(huán)境場(chǎng)中的平衡位置，原子之間間距發(fā)生改變，那么最終將會(huì)改變?cè)又g化學(xué)鍵的鍵能。也就是說(shuō)，我們可以認(rèn)為彈簧被壓縮后，它所儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能實(shí)際上是儲(chǔ)存于化學(xué)鍵的能量當(dāng)中。而化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，化學(xué)鍵的斷開(kāi)需要消耗能量，化學(xué)鍵的形成會(huì)釋放能量，而這部分的能量在大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)中是以熱能的形式表現(xiàn) 。
所以被壓縮后的彈簧由于將能量存儲(chǔ)于化學(xué)鍵當(dāng)中，當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，伴隨著舊化學(xué)鍵的斷開(kāi)與新化學(xué)鍵的形成，在這個(gè)變化過(guò)程中，壓縮后彈簧中的化學(xué)鍵能就會(huì)被釋放出來(lái)，最終的表現(xiàn)形式就是壓縮彈簧反應(yīng)后體系的熱量會(huì)高于未壓縮彈簧的反應(yīng)體系。也就是說(shuō)，這部分能量最終會(huì)變成熱量。
化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中能量變化
而這一理論也是有實(shí)驗(yàn)支持的，不過(guò)試驗(yàn)者使用的不是彈簧，而是一個(gè)可以彎曲的金屬片，該實(shí)驗(yàn)者通過(guò)將不同彎曲程度的金屬片放入硫酸中進(jìn)行腐蝕，結(jié)果表明彎曲程度越高的體系反應(yīng)后的溫度也會(huì)更高。
不同彎曲程度的金屬片放入硫酸中進(jìn)行腐蝕
壓縮后的彈簧與酸反應(yīng)的變化那么壓縮后的彈簧相比于未壓縮的彈簧與酸反應(yīng)溫度會(huì)高多少呢？我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，如果我們用平均10kg的力將彈簧壓縮10cm后固定住，并置于1L硫酸溶液中，那么壓縮后的彈簧中將會(huì)額外存儲(chǔ)10J的彈性勢(shì)能，這部分多出來(lái)的能量如果轉(zhuǎn)換成溶液的熱量，提高的溫度將不到零點(diǎn)零一攝氏度，這微量的變化我們很難感受到，因此也常會(huì)被我們忽略。
壓縮后彈簧與酸反應(yīng)不僅釋放的熱量比未壓縮彈簧更多，并且還會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)特殊的現(xiàn)象，就是壓縮后的彈簧相比于未壓縮彈簧更容易被腐蝕，這種現(xiàn)象有一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫“應(yīng)力腐蝕” 。這是由于材料受到力的作用后，化學(xué)鍵能升高，使得材料變得更不穩(wěn)定，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致更容易被腐蝕。所以很多金屬在經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度工作后，穩(wěn)定性也會(huì)逐漸變差，特別是在航空航天領(lǐng)域，該領(lǐng)域?qū)τ诓牧系男阅芤蟾?，測(cè)試也會(huì)更加嚴(yán)格。
不銹鋼中的應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的裂紋
總結(jié)總的來(lái)說(shuō)，壓縮后的彈簧放入硫酸溶液中被腐蝕，其儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能并不會(huì)憑空消失，而是從化學(xué)鍵能中釋放出來(lái)使體系溫度上升，整個(gè)過(guò)程依舊符合能量守恒。
【如果將一根壓縮的彈簧放進(jìn)硫酸中溶解，最終它的彈性勢(shì)能去哪了？】

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如果將一根壓縮的彈簧放進(jìn)硫酸中溶解，最終它的彈性勢(shì)能去哪了？

如果將一根壓縮的彈簧放進(jìn)硫酸中溶解，最終它的彈性勢(shì)能去哪了？