Sie denken an ein Lego oder ein Puzzle. Man muss an riesige Zahlen und winzige Dimensionen denken. Es gibt$10^{23}$Moleküle in einem Maulwurf. Die Atomdimensionen sind kleiner als$10^{-9}$Meter. Das zerbrochene Gitter passt nicht in das Puzzle, wenn es weiter als diese letzte kleine Distanz bewegt wurde, weil die molekularen Kräfte nicht übereinstimmen. Darüber hinaus wird der Bruch die Positionen von Atomen und Molekülen auf den beiden Seiten verschoben haben, was eine Fusion in dieser mikroskopischen Entfernung noch unwahrscheinlicher macht.

Zunächst müssen Sie verstehen, wie der Gummi überhaupt zusammengehalten wird. Gummi, Kunststoffe, Kohlenstofffasern und so ziemlich alle Formen von lebendem Gewebe werden auf die gleiche Weise zusammengehalten. Alle oder ein großer Teil der Moleküle sind lange Fäden, die entweder das gleiche einfache Muster wiederholen oder eine Reihe leicht unterschiedlicher Muster, die in zufälliger Reihenfolge angeordnet sind. In einigen Fällen sind die Saiten mehrere tausend Atome lang. Wenn die Saiten dicht aneinander gepackt sind, ziehen sie sich gegenseitig an, so dass sie am Ende aneinander haften, und aufgrund der verflochtenen Struktur ist die kombinierte Stärke viel größer als diese Anziehung zwischen zwei flachen Oberflächen wäre.

Wenn Sie stark genug ziehen, um eine solche Struktur zu brechen, wird eines oder eine Kombination von zwei Dingen passieren:

1. Die Moleküle rutschen aus ihrer ineinandergreifenden Konfiguration, dies hinterlässt Löcher in beiden Hälften des Objekts, wo früher die Moleküle der anderen Hälfte waren, es gibt Vakuum in diesen Löchern, so dass sie fast augenblicklich zusammenbrechen, alle losen Fäden des gebrochenen Enden fallen auf das Objekt und die Mehrheit der Oberflächen, an denen die beiden Hälften angezogen wurden, ziehen am Ende Oberflächen derselben Hälfte an. Somit ist kein Platz mehr für die zu reformierenden Anschlüsse. Wenn Sie die beiden Enden wieder zusammenkleben, können Sie nur hoffen, eine Verbindung entlang der Bruchfläche herzustellen, die viel schwächer sein wird, da ihr die Verschachtelung fehlt, und selbst dies ist oft unmöglich, da Luft zwischen den beiden Objekten sie daran hindert, sich zu verbinden.

2. Die Moleküle brechen. Wenn Sie ein Molekül durch schiere Kraft brechen, sind die resultierenden zwei Moleküle typischerweise Radikale. Diese Radikale reagieren schnell mit anderen Molekülen, insbesondere anderen Radikalen, so dass die gebrochenen Enden normalerweise entweder aneinander binden oder einige Atome aus der Luft reißen, um das Loch zu flicken und keine Radikale mehr zu sein. In beiden Fällen verbleiben die gebrochenen Enden in einem Zustand, in dem sie sich nicht einfach wieder mit ihrem alten Gegenstück verbinden.

Insbesondere Gummi ist ein Material, das lange braucht, um sich zu setzen, die Moleküle eines gewöhnlichen Gummibands verschieben langsam ihre Position und stellen Bindungen zwischen Molekülen her und brechen sie auf. Dies bedeutet, dass es tatsächlich möglich ist, dass sich einige Gummibänder nach einer bestimmten Zeit wieder verbinden (oder zu einem großen Klumpen in der Packung werden), Druck oder Hitze können den Vorgang beschleunigen. Leider macht diese Verschiebung auch im Allgemeinen den Gummi mit der Zeit schwächer, wenn er sich genug verschoben hat, um sich wieder zu verbinden, hat er sich wahrscheinlich auch genug verschoben, um nutzlos schwach zu sein.

Ihre Frage ist vollkommen gültig, obwohl die meisten Leute sie für seltsam halten, da der Grund offensichtlich erscheint.

Es gibt eine Eigenschaft des Systems namens Entropie , die für keinen Prozess abnehmen darf (recherchieren Sie im Internet; Sie haben möglicherweise Probleme, sie zu verstehen, wenn Sie in der High School sind). Es finden nur solche Prozesse im Universum statt, bei denen die Entropie des Systems entweder gleich bleibt oder zunimmt. Bei allen realen Prozessen steigt die Entropie (bleibt bei idealen reversiblen Prozessen gleich).

Wenn Sie etwas Heißes berühren, wird Wärme von diesem Objekt auf Ihren Körper übertragen. Darüber kann man streiten: "Warum nicht gegenüber?" Ihr Argument wäre gültig, da das Energieerhaltungsgesetz nicht verletzt würde, selbst wenn Wärme von Ihrem Körper auf dieses heiße Objekt übertragen würde. Sie können eine solche Argumentation bei fast allen realen Prozessen anstellen.

Im Falle Ihres gebrochenen Gummibandes wird es nicht wieder befestigt, um wie zuvor zu werden, selbst wenn Sie versuchen, alle Energieänderungen, die Sie auf molekularer Ebene vorgenommen haben, rückgängig zu machen (Stücke zusammenzuhalten ist auch ein solcher Versuch).

Der Schlüssel zu allem ist die Entropieänderung. Also, die Antwort auf Ihre Frage: Das Gummiband wird nicht automatisch wieder angebracht, weil die Entropie des Systems dadurch verringert würde.

Und unterschätzen Sie nicht die Entropie-Sache. Es wird in hochrangigen Theorien wie der Stringtheorie, QFT diskutiert. Entropieänderung wird manchmal als "Zeitpfeil" bezeichnet.

Viele der vorgeschlagenen Antworten konzentrieren sich auf die Entropie und die geringe Wahrscheinlichkeit, dass alle mikroskopischen Komponenten des Prozesses zusammenkommen und zu einem neu gebildeten Band führen. Ich bin nicht überzeugt, dass diese Antworten zum zweiten Teil Ihrer Frage führen: Wird die Band in unendlicher Zeit reformiert? Bevor ich zu meiner Vorgehensweise zur Beantwortung Ihrer Frage komme, ein kurzer Blick auf Gummi.

Etwas Chemie

Nehmen wir an, das Gummiband besteht aus Naturkautschuk, einem Polymer aus Isopren mit einigen Verunreinigungen darin. Wir ignorieren die Verunreinigungen. Das Isoprenpolymer oder Polyisopren sieht so aus:

Diese langen Ketten (n ist leicht > 10 ^ 4) können übereinander rutschen und gleiten und sind ohne Stabilität ein wirklich beschissenes Material, um Dinge zusammenzuhalten (ein gekautes Stück Kaugummi, das in Form eines Bandes geformt ist, wäre besser gewesen elastische und Stabilitätseigenschaften). Um Naturkautschuk Stabilität und Elastizität zu verleihen, werden die Polymere durch Vulkanisation vernetzt . Schwefel wird hinzugefügt und bildet Brücken zwischen benachbarten Polymeren, sodass sie sich bewegen können, sich aber nicht zu weit entfernen . Die vernetzten Polymere sehen in etwa so aus, beachten Sie jedoch, dass das tatsächliche Material eine nicht so hohe Schwefeldichte aufweisen würde, wie in dieser Abbildung dargestellt

Einige Reaktionen

Lassen Sie uns Ihr Gedankenexperiment durchgehen. Wenn das Gummiband bis zum Bruch gedehnt wird, werden chemische Bindungen aufgebrochen. Betrachtet man das vernetzte Bild oben, sind die Optionen SS-Bindungen, SC-Bindungen und CC- oder C=C-Bindungen. Wenn wir uns die Bindungsdissoziationsenthalpien ansehen, sehen wir, dass die SS- und SC-Bindungen die schwächsten der Gruppe sind; Also sind die Bindungen, die gebrochen werden, aller Wahrscheinlichkeit nach die Bindungen, die durch den Vulkanisations-/Vernetzungsprozess hinzugefügt wurden.

In einem stark vereinfachten Bild können wir das Reißen eines Gummibands wie folgt ausdrücken:

Ich benutze hier Doppelpfeile, weil wir in Ihrem Gedankenexperiment davon ausgehen, dass der Bandbruch ein reversibler Prozess ist. Angesichts der Tatsache, dass das Aufbrechen von Bindungen Energie erfordert, liegt es nahe, dass Ihre Vermutung einen gewissen Wert hat; die Bindungsbildung ist nämlich energetisch machbar und sollte bei ausreichender Zeit erfolgen, was zu einem reformierten Band führt.

Etwas Thermodynamik

Chemische Reaktionen können unter thermodynamischer oder kinetischer Kontrolle ablaufen . Ich interpretiere Ihre Aussage "... bei unendlicher Zeit ..." als was ist das Produkt dieser Reaktion unter thermodynamischer Kontrolle? . Wir müssen daher die freie Gibbs-Energie der Bindungsdissoziationsreaktion betrachten, um die thermodynamisch bevorzugten Produkte zu bestimmen ($S\cdot + C\cdot$vs.$S-C$, oder gebrochenes Band vs. ganzes Band). Für einen thermodynamisch günstigen Prozess gilt$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$,$\Delta G$muss negativ sein. Für Bindungsbruch,$\Delta H$ist positiv u$\Delta S$ist positiv, das heißt$\Delta G$ist negativ, wenn$T \Delta S$ist größer als$\Delta H$. Wir können daher behaupten, dass es eine Temperatur gibt, bei der das Reißen des Gummibandes thermodynamisch günstig ist. Intuitiv ergibt das Sinn: Gummiband erwärmen, irgendwann ist es kein Gummiband mehr. Da wir an der Umkehrreaktion interessiert sind, ändern wir die Vorzeichen der thermodynamischen Eigenschaften, und die Bindungsbildung (Bandreparatur) wäre bei niedrigen Temperaturen thermodynamisch günstig (obwohl diese niedrige Temperatur möglicherweise sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegen muss, an dem die Chemie beginnt komisch werden ).

Fazit

Ich denke also, der Schlüssel zu dieser Frage ist Ihre Verwendung des Begriffs unendlich , der uns von einem kinetischen Regime zu einem thermodynamischen Regime führt. Ich mache auch einige ziemlich heftige Annahmen (z. B. Annäherung an das Brechen / Bilden von Bändern mit einer einzigen Art von Brechen / Bilden von Bindungen ), die möglicherweise zu weit gefasst sind. Unter diesen Einschränkungen legt die Thermodynamik nahe, dass ein gebildetes Band günstiger ist als ein gebrochenes Band. Wenn mein Modell zu stark vereinfacht ist, können Sie denselben Prozess mit konservativeren Annahmen verwenden.

In Wirklichkeit sind diese Art von thermodynamischen Gedankenexperimenten nicht sehr hilfreich. Diamant beispielsweise ist thermodynamisch stabiler als Graphit. Ich werde das Mädchen von nebenan nicht gewinnen, indem ich ihr den Bleistift gebe und sage: „Meine Liebe zu dir ist so ewig wie dieser Diamant sein wird“. Sobald Sie sich wieder in den Bereich der endlichen Zeit begeben, übernimmt die kinetische Kontrolle, und die Energiebarrieren für die Gummibandbildung werden zu hoch sein, als dass die Reparatur stattfinden könnte.

Sie haben die chemischen Bindungen zwischen den Molekülen aufgebrochen, indem Sie Energie zugeführt haben, die dann dissipiert wird. Sie haben auch die Molekülstruktur verzerrt. Um dies zu reparieren, sollten Sie erneut Energie zuführen. Das Zusammenhalten der Teile liefert weder die Energie, noch ordnet es die Molekülstruktur neu. Die Antwort auf Ihre zweite Frage lautet: Nein.

Der genaue Mechanismus variiert je nach Material. Einfache Materialien (anorganisch) sind einfacher zu analysieren. Die einfachste Antwort ist, wenn Sie sie zusammenbringen, werden sie sich zusammenschließen, vorausgesetzt, die Größe ist klein. Beispielsweise wird beim Kaltschweißen ein Draht mit weniger als 10 nm nur durch Kontakt wieder verbunden. Die genaue Mechanik hängt davon ab, welche Art von intermolekularer Kraft im Spiel ist.

Laut Grove Karl Gilbert

Meiner Meinung nach ist der Unterschied nur imaginär und nicht real. Steifigkeit und Plastizität sind keine absoluten Begriffe, sondern relative, und alle Festkörper sind tatsächlich sowohl starr als auch plastisch. Der scheinbare Gegensatz zwischen den beiden Eigenschaften gehört zum Labor und zu jenen Naturphänomenen, die kleine Massen und kleine Kräfte betreffen. Wenn große Massen und große Kräfte beteiligt sind, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Kontinenten und Gebirgsketten, verliert die Unterscheidung an Wert. Die Phänomene der Gebirgsstruktur zeigen, dass sich große Gesteinskörper unter ausreichender Belastung sowohl biegen als auch fließen.

Es ist etwas, was in diesem Video erklärt wird