रबर लोच: Difference between revisions
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उन्नीसवीं शताब्दी के मध्य तक, [[ऊष्मप्रवैगिकी]] के सिद्धांत का विकास हो रहा था और इस ढांचे के भीतर, अंग्रेजी गणितज्ञ और भौतिक विज्ञानी [[लॉर्ड केल्विन]]<ref>Lord Kelvin, Quarterly J. Math., 1, 57 (1857)</ref> दिखाया कि रबर के नमूने को फैलाने के लिए आवश्यक यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन तापमान में वृद्धि के समानुपाती होना चाहिए। बाद में, यह [[एन्ट्रापी]] में बदलाव से जुड़ा होगा। ऊष्मप्रवैगिकी का संबंध 1859 में मजबूती से स्थापित हो गया था जब अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी [[जेम्स जौल]] ने रबर के नमूने के रूप में होने वाली तापमान वृद्धि का पहला सावधानीपूर्वक माप प्रकाशित किया था।<ref>Joule JP. On thermodynamic properties of solids. Phil Trans R Soc Lond. 1859;149:91–131.</ref> इस कार्य ने लॉर्ड केल्विन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की। | उन्नीसवीं शताब्दी के मध्य तक, [[ऊष्मप्रवैगिकी]] के सिद्धांत का विकास हो रहा था और इस ढांचे के भीतर, अंग्रेजी गणितज्ञ और भौतिक विज्ञानी [[लॉर्ड केल्विन]]<ref>Lord Kelvin, Quarterly J. Math., 1, 57 (1857)</ref> दिखाया कि रबर के नमूने को फैलाने के लिए आवश्यक यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन तापमान में वृद्धि के समानुपाती होना चाहिए। बाद में, यह [[एन्ट्रापी]] में बदलाव से जुड़ा होगा। ऊष्मप्रवैगिकी का संबंध 1859 में मजबूती से स्थापित हो गया था जब अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी [[जेम्स जौल]] ने रबर के नमूने के रूप में होने वाली तापमान वृद्धि का पहला सावधानीपूर्वक माप प्रकाशित किया था।<ref>Joule JP. On thermodynamic properties of solids. Phil Trans R Soc Lond. 1859;149:91–131.</ref> इस कार्य ने लॉर्ड केल्विन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की। | ||
1838 में अमेरिकी आविष्कारक [[चार्ल्स गुडइयर]] ने पाया कि कुछ प्रतिशत सल्फर मिला कर प्राकृतिक रबर के लोचदार गुणों में अत्यधिक सुधार किया जा सकता है। शॉर्ट सल्फर चेन ने आसन्न पॉलीसोप्रीन अणुओं के बीच रासायनिक क्रॉस-लिंक का निर्माण किया। इससे पहले कि यह क्रॉस-लिंक्ड हो, तरल प्राकृतिक रबर में बहुत लंबे बहुलक अणु होते हैं, जिसमें हजारों [[ आइसोप्रेन ]] बैकबोन इकाइयां होती हैं, जो सिर से पूंछ तक जुड़ी होती हैं ( | 1838 में अमेरिकी आविष्कारक [[चार्ल्स गुडइयर]] ने पाया कि कुछ प्रतिशत सल्फर मिला कर प्राकृतिक रबर के लोचदार गुणों में अत्यधिक सुधार किया जा सकता है। शॉर्ट सल्फर चेन ने आसन्न पॉलीसोप्रीन अणुओं के बीच रासायनिक क्रॉस-लिंक का निर्माण किया। इससे पहले कि यह क्रॉस-लिंक्ड हो, तरल प्राकृतिक रबर में बहुत लंबे बहुलक अणु होते हैं, जिसमें हजारों [[ आइसोप्रेन ]] बैकबोन इकाइयां होती हैं, जो सिर से पूंछ तक जुड़ी होती हैं (सामान्यतः चेन के रूप में संदर्भित)। प्रत्येक श्रृंखला बहुलक तरल के माध्यम से एक यादृच्छिक, तीन आयामी पथ का अनुसरण करती है और हजारों अन्य आस-पास की श्रृंखलाओं के संपर्क में है। जब लगभग 150C तक गर्म किया जाता है, तो प्रतिक्रियाशील क्रॉस-लिंकर अणु, जैसे कि सल्फर या डाइक्यूमिल पेरोक्साइड, विघटित हो सकते हैं और बाद की रासायनिक प्रतिक्रियाएँ आसन्न श्रृंखलाओं के बीच एक [[रासायनिक बंध]]न उत्पन्न करती हैं। एक क्रॉसलिंक को 'X' अक्षर के रूप में देखा जा सकता है, लेकिन इसकी कुछ भुजाएँ विमान से बाहर की ओर इशारा करती हैं। नतीजा एक तीन आयामी आणविक नेटवर्क है। पॉलीसोप्रीन के सभी अणु इन रासायनिक बंधों (नेटवर्क नोड्स) द्वारा कई बिंदुओं पर एक साथ जुड़े होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक विशाल अणु होता है और मूल लंबे [[ पॉलीमर ]] के बारे में सभी जानकारी खो जाती है। एक रबड़ बैंड एक अणु है, जैसा कि एक लेटेक्स दस्ताने है! दो आसन्न क्रॉस-लिंक्स के बीच पॉलीसोप्रीन के वर्गों को नेटवर्क चेन कहा जाता है और इसमें कई सौ आइसोप्रीन इकाइयां हो सकती हैं। प्राकृतिक रबड़ में, प्रत्येक क्रॉस-लिंक एक नेटवर्क नोड उत्पन्न करता है जिसमें से चार श्रृंखलाएं निकलती हैं। यह वह नेटवर्क है जो लोचदार गुणों को जन्म देता है। | ||
रबर के विशाल आर्थिक और तकनीकी महत्व के कारण, यह भविष्यवाणी करना कि कैसे एक आणविक नेटवर्क यांत्रिक उपभेदों पर प्रतिक्रिया करता है, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए स्थायी रुचि रही है। रबर के लोचदार गुणों को समझने के लिए, सैद्धांतिक रूप से, आणविक स्तर पर होने वाले दोनों भौतिक तंत्रों को जानना आवश्यक है और बहुलक श्रृंखला की यादृच्छिक-चलना प्रकृति नेटवर्क को कैसे परिभाषित करती है। बहुलक श्रृंखलाओं के छोटे वर्गों के भीतर होने वाले भौतिक तंत्र लोचदार बलों का उत्पादन करते हैं और नेटवर्क आकृति विज्ञान यह निर्धारित करता है कि ये बल मैक्रोस्कोपिक [[तनाव (यांत्रिकी)]] का उत्पादन करने के लिए कैसे गठबंधन करते हैं, जिसे हम रबड़ के नमूने के विकृत होने पर देखते हैं, उदा। [[विरूपण (यांत्रिकी)]] के अधीन। | रबर के विशाल आर्थिक और तकनीकी महत्व के कारण, यह भविष्यवाणी करना कि कैसे एक आणविक नेटवर्क यांत्रिक उपभेदों पर प्रतिक्रिया करता है, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए स्थायी रुचि रही है। रबर के लोचदार गुणों को समझने के लिए, सैद्धांतिक रूप से, आणविक स्तर पर होने वाले दोनों भौतिक तंत्रों को जानना आवश्यक है और बहुलक श्रृंखला की यादृच्छिक-चलना प्रकृति नेटवर्क को कैसे परिभाषित करती है। बहुलक श्रृंखलाओं के छोटे वर्गों के भीतर होने वाले भौतिक तंत्र लोचदार बलों का उत्पादन करते हैं और नेटवर्क आकृति विज्ञान यह निर्धारित करता है कि ये बल मैक्रोस्कोपिक [[तनाव (यांत्रिकी)]] का उत्पादन करने के लिए कैसे गठबंधन करते हैं, जिसे हम रबड़ के नमूने के विकृत होने पर देखते हैं, उदा। [[विरूपण (यांत्रिकी)]] के अधीन। | ||
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==== नेटवर्क आकृति विज्ञान ==== | ==== नेटवर्क आकृति विज्ञान ==== | ||
हालांकि नेटवर्क पूरी तरह से केवल दो मापदंडों (प्रति इकाई मात्रा में नेटवर्क नोड्स की संख्या और बहुलक की सांख्यिकीय डी-सहसंबंध लंबाई, कुह्न लंबाई) द्वारा वर्णित है, जिस तरह से जंजीरों को जोड़ा जाता है वह वास्तव में काफी जटिल है। जंजीरों की लंबाई में व्यापक भिन्नता है और उनमें से अधिकतर निकटतम | हालांकि नेटवर्क पूरी तरह से केवल दो मापदंडों (प्रति इकाई मात्रा में नेटवर्क नोड्स की संख्या और बहुलक की सांख्यिकीय डी-सहसंबंध लंबाई, कुह्न लंबाई) द्वारा वर्णित है, जिस तरह से जंजीरों को जोड़ा जाता है वह वास्तव में काफी जटिल है। जंजीरों की लंबाई में व्यापक भिन्नता है और उनमें से अधिकतर निकटतम निकटतम नेटवर्क नोड से जुड़े नहीं हैं। श्रृंखला की लंबाई और इसकी एंड-टू-एंड दूरी दोनों को संभाव्यता वितरण द्वारा वर्णित किया गया है। 'आकृति विज्ञान' शब्द इस जटिलता को दर्शाता है। यदि क्रॉस-लिंकिंग एजेंट पूरी तरह मिश्रित है, तो किसी भी आइसोप्रीन इकाई के नेटवर्क नोड बनने की समान संभावना है। डाइक्यूमाइल पेरोक्साइड के लिए, प्राकृतिक रबर में क्रॉस लिंकिंग दक्षता एकता है,<ref>L.D. Loan, Pure Appl. Chem. 30 (1972)</ref> लेकिन सल्फर के मामले में ऐसा नहीं है।<ref name=r15>D. E. Hanson and J. L. Barber, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 8460 (2018), LAPR-2018-029488</ref> नेटवर्क की प्रारंभिक आकारिकी दो यादृच्छिक प्रक्रियाओं द्वारा तय की जाती है: किसी भी आइसोप्रीन इकाई पर क्रॉस-लिंक होने की संभावना और एक श्रृंखला संरचना के मार्कोव यादृच्छिक चलने की प्रकृति।<ref name=r7 /><ref name=r8 />एक श्रृंखला के अंत का एक छोर दूसरे से कितनी दूर 'भटक' सकता है, इसके लिए प्रायिकता वितरण फ़ंक्शन एक मार्कोव अनुक्रम द्वारा उत्पन्न होता है।<ref name=r13>A. A. Markov, Izv. Peterb. Akad. 4 (1), 61–80 (1907)</ref> यह [[सशर्त संभाव्यता वितरण]] श्रृंखला की लंबाई से संबंधित है <math>n</math> कुह्न लंबाई की इकाइयों में <math>b</math> एंड-टू-एंड दूरी के लिए <math>r</math>: | ||
{{NumBlk||<math display="block">P(r|n) = 4 \pi r^2\left( \frac{2 n b^2 \pi}{3}\right)^{-{3}/{2}} \exp \left( -\frac{3r^2}{2nb^2} \right) \,</math>|{{EquationRef|1}}}} | {{NumBlk||<math display="block">P(r|n) = 4 \pi r^2\left( \frac{2 n b^2 \pi}{3}\right)^{-{3}/{2}} \exp \left( -\frac{3r^2}{2nb^2} \right) \,</math>|{{EquationRef|1}}}} | ||
संभावना है कि कोई आइसोप्रीन इकाई क्रॉस-लिंक नोड का हिस्सा बन जाती है, क्रॉस-लिंकर अणुओं (जैसे, डाइक्यूमिल-पेरोक्साइड) की सांद्रता के आइसोप्रीन इकाइयों के अनुपात के अनुपात के समानुपाती होती है: <math display="block">p_x = 2 \frac \text{[cross-link]} \text{[isoprene]}</math> दो का कारक आता है क्योंकि दो आइसोप्रीन इकाइयां (प्रत्येक श्रृंखला से एक) क्रॉस-लिंक में भाग लेती हैं। संभाव्यता वितरण# युक्त श्रृंखला खोजने के लिए असतत संभाव्यता वितरण <math>N</math> आइसोप्रीन इकाइयों द्वारा दिया जाता है: | संभावना है कि कोई आइसोप्रीन इकाई क्रॉस-लिंक नोड का हिस्सा बन जाती है, क्रॉस-लिंकर अणुओं (जैसे, डाइक्यूमिल-पेरोक्साइड) की सांद्रता के आइसोप्रीन इकाइयों के अनुपात के अनुपात के समानुपाती होती है: <math display="block">p_x = 2 \frac \text{[cross-link]} \text{[isoprene]}</math> दो का कारक आता है क्योंकि दो आइसोप्रीन इकाइयां (प्रत्येक श्रृंखला से एक) क्रॉस-लिंक में भाग लेती हैं। संभाव्यता वितरण# युक्त श्रृंखला खोजने के लिए असतत संभाव्यता वितरण <math>N</math> आइसोप्रीन इकाइयों द्वारा दिया जाता है: | ||
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=== स्नैप-बैक वेग === | === स्नैप-बैक वेग === | ||
फ़ाइल: Mrowca_Fig4.tif|अंगूठे|अंजीर। 5 रबड़ के नमूने बनाम समय के अंत और मध्य बिंदु का विस्थापन क्योंकि यह उच्च विस्तार से वापस आ जाता है।<ref name=r20>{{cite journal|last1=Mrowca|first1=B.A.|last2=Dart|first2=S.L.|last3=Guth|first3=E.|title=तनावग्रस्त रबर की वापसी|journal=Phys. Rev.|volume=66|pages=30|year=1944|doi=10.1103/PhysRev.66.30.2}}</ref>जब हम रबड़ के एक टुकड़े को खींचते हैं, उदा. एक रबर बैंड, हम देखते हैं कि यह लंबाई में समान रूप से विकृत होता है। इसकी लंबाई के साथ प्रत्येक तत्व पूरे नमूने के समान विस्तार कारक का अनुभव करता है। यदि हम एक छोर को छोड़ देते हैं, तो नमूना बहुत तेजी से अपनी मूल लंबाई पर वापस आ जाता है, प्रक्रिया को हल करने के लिए हमारी आंख के लिए बहुत तेजी से। हमारी सहज अपेक्षा यह है कि यह अपनी मूल लंबाई पर उसी तरह लौटता है जैसे कि जब इसे खींचा गया था, यानी। इ। समान रूप से। हालाँकि, ऐसा नहीं होता है। Mrowca et al द्वारा प्रायोगिक अवलोकन।<ref name=r20 />आश्चर्यजनक व्यवहार दिखाएं। अत्यधिक तेज़ प्रत्यावर्तन गतिकी को पकड़ने के लिए, उन्होंने एक्सनर और स्टीफ़न द्वारा तैयार की गई एक चतुर प्रयोगात्मक विधि का उपयोग किया<ref>G. S. Whitby, "Plantation Rubber and the Testing of Rubber", Longmans and Green, London, 1920. p 461</ref> 1874 में, उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक मापने वाले उपकरणों का आविष्कार होने से पहले। उनकी पद्धति में एक तेजी से घूमने वाला कांच का सिलेंडर | फ़ाइल: Mrowca_Fig4.tif|अंगूठे|अंजीर। 5 रबड़ के नमूने बनाम समय के अंत और मध्य बिंदु का विस्थापन क्योंकि यह उच्च विस्तार से वापस आ जाता है।<ref name=r20>{{cite journal|last1=Mrowca|first1=B.A.|last2=Dart|first2=S.L.|last3=Guth|first3=E.|title=तनावग्रस्त रबर की वापसी|journal=Phys. Rev.|volume=66|pages=30|year=1944|doi=10.1103/PhysRev.66.30.2}}</ref>जब हम रबड़ के एक टुकड़े को खींचते हैं, उदा. एक रबर बैंड, हम देखते हैं कि यह लंबाई में समान रूप से विकृत होता है। इसकी लंबाई के साथ प्रत्येक तत्व पूरे नमूने के समान विस्तार कारक का अनुभव करता है। यदि हम एक छोर को छोड़ देते हैं, तो नमूना बहुत तेजी से अपनी मूल लंबाई पर वापस आ जाता है, प्रक्रिया को हल करने के लिए हमारी आंख के लिए बहुत तेजी से। हमारी सहज अपेक्षा यह है कि यह अपनी मूल लंबाई पर उसी तरह लौटता है जैसे कि जब इसे खींचा गया था, यानी। इ। समान रूप से। हालाँकि, ऐसा नहीं होता है। Mrowca et al द्वारा प्रायोगिक अवलोकन।<ref name=r20 />आश्चर्यजनक व्यवहार दिखाएं। अत्यधिक तेज़ प्रत्यावर्तन गतिकी को पकड़ने के लिए, उन्होंने एक्सनर और स्टीफ़न द्वारा तैयार की गई एक चतुर प्रयोगात्मक विधि का उपयोग किया<ref>G. S. Whitby, "Plantation Rubber and the Testing of Rubber", Longmans and Green, London, 1920. p 461</ref> 1874 में, उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक मापने वाले उपकरणों का आविष्कार होने से पहले। उनकी पद्धति में एक तेजी से घूमने वाला कांच का सिलेंडर सम्मिलित था, जिसे लैंप ब्लैक के साथ लेपित करने के बाद, फैलाए गए रबड़ के नमूने के बगल में रखा गया था। रबर के नमूने के मध्य-बिंदु और मुक्त सिरे से जुड़ी स्टाइलि को ग्लास सिलेंडर के संपर्क में रखा गया था। फिर, जैसे ही रबर का मुक्त सिरा वापस टूटा, स्टाइली ने घूर्णन सिलेंडर के लैंप ब्लैक कोटिंग में पेचदार रास्तों का पता लगाया। सिलेंडर की घूर्णन गति को समायोजित करके, वे एक से कम पूर्ण रोटेशन में स्टाइली की स्थिति रिकॉर्ड कर सकते थे। नम ब्लोटर पेपर के एक टुकड़े पर सिलेंडर को रोल करके प्रक्षेपवक्र को एक ग्राफ में स्थानांतरित कर दिया गया। एक लेखनी द्वारा छोड़े गए निशान कागज पर एक सफेद रेखा (कोई दीपक काला नहीं) के रूप में दिखाई देते हैं। | ||
उनका डेटा, चित्र 5 में ग्राफ के रूप में प्लॉट किया गया है, अंत और मध्यबिंदु स्टाइलि की स्थिति दिखाता है क्योंकि नमूना तेजी से अपनी मूल लंबाई में वापस आ जाता है। नमूना शुरू में अपनी अप्रशिक्षित लंबाई से 9.5” ऊपर खींचा गया और फिर छोड़ दिया गया। स्टाइलि 6 एमएस से थोड़ा अधिक समय में अपनी मूल स्थिति (0 का विस्थापन) पर लौट आया। विस्थापन बनाम समय का रैखिक व्यवहार इंगित करता है कि, एक संक्षिप्त त्वरण के बाद, नमूने का अंत और मध्य बिंदु दोनों लगभग 50 मी/से या 112 मील प्रति घंटे के निरंतर वेग से वापस आ गए। हालांकि, अंत जारी होने के बाद लगभग 3 एमएस तक मिडपॉइंट स्टाइलस चलना शुरू नहीं हुआ। जाहिर है, वापसी की प्रक्रिया एक लहर के रूप में यात्रा करती है, मुक्त छोर से शुरू होती है। | उनका डेटा, चित्र 5 में ग्राफ के रूप में प्लॉट किया गया है, अंत और मध्यबिंदु स्टाइलि की स्थिति दिखाता है क्योंकि नमूना तेजी से अपनी मूल लंबाई में वापस आ जाता है। नमूना शुरू में अपनी अप्रशिक्षित लंबाई से 9.5” ऊपर खींचा गया और फिर छोड़ दिया गया। स्टाइलि 6 एमएस से थोड़ा अधिक समय में अपनी मूल स्थिति (0 का विस्थापन) पर लौट आया। विस्थापन बनाम समय का रैखिक व्यवहार इंगित करता है कि, एक संक्षिप्त त्वरण के बाद, नमूने का अंत और मध्य बिंदु दोनों लगभग 50 मी/से या 112 मील प्रति घंटे के निरंतर वेग से वापस आ गए। हालांकि, अंत जारी होने के बाद लगभग 3 एमएस तक मिडपॉइंट स्टाइलस चलना शुरू नहीं हुआ। जाहिर है, वापसी की प्रक्रिया एक लहर के रूप में यात्रा करती है, मुक्त छोर से शुरू होती है। | ||
उच्च विस्तार पर फैली हुई नेटवर्क श्रृंखला में संग्रहीत कुछ ऊर्जा इसकी एन्ट्रापी में परिवर्तन के कारण होती है, लेकिन अधिकांश ऊर्जा बांड विकृतियों (उपरोक्त शासन II, ऊपर) में संग्रहीत होती है, जिसमें एन्ट्रापी परिवर्तन | उच्च विस्तार पर फैली हुई नेटवर्क श्रृंखला में संग्रहीत कुछ ऊर्जा इसकी एन्ट्रापी में परिवर्तन के कारण होती है, लेकिन अधिकांश ऊर्जा बांड विकृतियों (उपरोक्त शासन II, ऊपर) में संग्रहीत होती है, जिसमें एन्ट्रापी परिवर्तन सम्मिलित नहीं होता है। यदि कोई मानता है कि सभी संग्रहीत ऊर्जा गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, तो प्रत्यावर्तन वेग की गणना सीधे परिचित संरक्षण समीकरण E = से की जा सकती है {{1/2}} मवि<sup>2</उप>। संख्यात्मक सिमुलेशन,<ref name=r10/>आणविक किंक प्रतिमान के आधार पर, इस प्रयोग के अनुरूप वेगों की भविष्यवाणी करें। | ||
== लोच सिद्धांत के लिए ऐतिहासिक दृष्टिकोण == | == लोच सिद्धांत के लिए ऐतिहासिक दृष्टिकोण == | ||
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|doi= 10.1119/1.1969535|bibcode = 1963AmJPh..31..397T }}</ref> | |doi= 10.1119/1.1969535|bibcode = 1963AmJPh..31..397T }}</ref> | ||
यह एक साधारण [[रबर बैंड]] के साथ देखा जा सकता है। एक रबर बैंड को खींचने से यह गर्मी छोड़ेगा (इसे अपने होठों के खिलाफ दबाएं), जबकि इसे खींचे जाने के बाद इसे जारी करने से यह गर्मी को अवशोषित कर लेगा, जिससे इसका परिवेश ठंडा हो जाएगा। इस परिघटना को [[गिब्स मुक्त ऊर्जा]] द्वारा समझाया जा सकता है। ΔG=ΔH−TΔS को पुनर्व्यवस्थित करने पर, जहाँ G मुक्त ऊर्जा है, H [[तापीय धारिता]] है, और S एन्ट्रॉपी है, हमें मिलता है {{math|1=''T'' Δ''S'' = Δ''H'' − Δ''G''}}. चूंकि खिंचाव सहज नहीं है, क्योंकि इसके लिए बाहरी कार्य की आवश्यकता होती है, TΔS ऋणात्मक होना चाहिए। चूँकि T हमेशा धनात्मक होता है (यह कभी भी पूर्ण शून्य तक नहीं पहुँच सकता है), ΔS को ऋणात्मक होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि रबर अपनी प्राकृतिक अवस्था में अधिक उलझा हुआ है (अधिक [[माइक्रोस्टेट (सांख्यिकीय यांत्रिकी)]] के साथ) जब यह तनाव में होता है। इस प्रकार, जब तनाव हटा दिया जाता है, तो प्रतिक्रिया सहज होती है, जिससे ΔG नकारात्मक हो जाता है। नतीजतन, शीतलन प्रभाव का परिणाम सकारात्मक ΔH होना चाहिए, इसलिए ΔS वहां सकारात्मक होगा।<ref>Rubber Bands and Heat, http://scifun.chem.wisc.edu/HomeExpts/rubberband.html {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20190613204939/http://scifun.chem.wisc.edu/HOMEEXPTS/rubberband.html |date=2019-06-13 }}, citing {{Harvtxt|Shakhashiri|1983}}</ref><ref>{{Citation |title=Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry |volume=1 |first=Bassam Z. |last= Shakhashiri |year= 1983 |publisher= The University of Wisconsin Press |location= Madison, WI |isbn= 978-0-299-08890-3 }}</ref> | यह एक साधारण [[रबर बैंड]] के साथ देखा जा सकता है। एक रबर बैंड को खींचने से यह गर्मी छोड़ेगा (इसे अपने होठों के खिलाफ दबाएं), जबकि इसे खींचे जाने के बाद इसे जारी करने से यह गर्मी को अवशोषित कर लेगा, जिससे इसका परिवेश ठंडा हो जाएगा। इस परिघटना को [[गिब्स मुक्त ऊर्जा]] द्वारा समझाया जा सकता है। ΔG=ΔH−TΔS को पुनर्व्यवस्थित करने पर, जहाँ G मुक्त ऊर्जा है, H [[तापीय धारिता]] है, और S एन्ट्रॉपी है, हमें मिलता है {{math|1=''T'' Δ''S'' = Δ''H'' − Δ''G''}}. चूंकि खिंचाव सहज नहीं है, क्योंकि इसके लिए बाहरी कार्य की आवश्यकता होती है, TΔS ऋणात्मक होना चाहिए। चूँकि T हमेशा धनात्मक होता है (यह कभी भी पूर्ण शून्य तक नहीं पहुँच सकता है), ΔS को ऋणात्मक होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि रबर अपनी प्राकृतिक अवस्था में अधिक उलझा हुआ है (अधिक [[माइक्रोस्टेट (सांख्यिकीय यांत्रिकी)]] के साथ) जब यह तनाव में होता है। इस प्रकार, जब तनाव हटा दिया जाता है, तो प्रतिक्रिया सहज होती है, जिससे ΔG नकारात्मक हो जाता है। नतीजतन, शीतलन प्रभाव का परिणाम सकारात्मक ΔH होना चाहिए, इसलिए ΔS वहां सकारात्मक होगा।<ref>Rubber Bands and Heat, http://scifun.chem.wisc.edu/HomeExpts/rubberband.html {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20190613204939/http://scifun.chem.wisc.edu/HOMEEXPTS/rubberband.html |date=2019-06-13 }}, citing {{Harvtxt|Shakhashiri|1983}}</ref><ref>{{Citation |title=Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry |volume=1 |first=Bassam Z. |last= Shakhashiri |year= 1983 |publisher= The University of Wisconsin Press |location= Madison, WI |isbn= 978-0-299-08890-3 }}</ref> | ||
इसका परिणाम यह होता है कि एक इलास्टोमर कुछ हद तक एक आदर्श मोनोएटोमिक गैस की तरह व्यवहार करता है, क्योंकि (अच्छे सन्निकटन के लिए) इलास्टिक पॉलीमर किसी भी संभावित ऊर्जा को स्ट्रेच्ड केमिकल बॉन्ड्स या स्ट्रेचिंग मॉलिक्यूल्स में किए गए इलास्टिक वर्क में स्टोर नहीं करते हैं, जब उन पर काम किया जाता है। इसके | इसका परिणाम यह होता है कि एक इलास्टोमर कुछ हद तक एक आदर्श मोनोएटोमिक गैस की तरह व्यवहार करता है, क्योंकि (अच्छे सन्निकटन के लिए) इलास्टिक पॉलीमर किसी भी संभावित ऊर्जा को स्ट्रेच्ड केमिकल बॉन्ड्स या स्ट्रेचिंग मॉलिक्यूल्स में किए गए इलास्टिक वर्क में स्टोर नहीं करते हैं, जब उन पर काम किया जाता है। इसके अतिरिक्त, रबर पर किए गए सभी काम जारी (संग्रहीत नहीं) होते हैं और तुरंत बहुलक में तापीय ऊर्जा के रूप में दिखाई देते हैं। उसी तरह, काम करने के लिए इलास्टिक द्वारा आसपास के वातावरण में किए जाने वाले सभी कार्य तापीय ऊर्जा के गायब होने का कारण बनते हैं (इलास्टिक बैंड एक विस्तारित गैस की तरह ठंडा हो जाता है)। यह अंतिम घटना महत्वपूर्ण सुराग है कि काम करने के लिए एक इलास्टोमर की क्षमता (एक आदर्श गैस के साथ) केवल एन्ट्रापी-परिवर्तन के विचारों पर निर्भर करती है, न कि बहुलक बांडों के भीतर किसी संग्रहीत (यानी, संभावित) ऊर्जा पर। इसके अतिरिक्त, काम करने के लिए ऊर्जा पूरी तरह से तापीय ऊर्जा से आती है, और (जैसा कि एक विस्तारित आदर्श गैस के मामले में) बहुलक का केवल सकारात्मक एन्ट्रापी परिवर्तन इसकी आंतरिक तापीय ऊर्जा को कुशलता से परिवर्तित करने की अनुमति देता है (सिद्धांत में 100%) कार्य में . | ||
=== पॉलिमर श्रृंखला सिद्धांत === | === पॉलिमर श्रृंखला सिद्धांत === | ||
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\langle R^2\rangle^\frac{1}{2} &= \sqrt{N} b | \langle R^2\rangle^\frac{1}{2} &= \sqrt{N} b | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
रबर लोच के फ्लोरी सिद्धांत ने बताया है कि रबर लोच में मुख्य रूप से एन्ट्रोपिक उत्पत्ति होती है। हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा के लिए निम्नलिखित बुनियादी समीकरणों का उपयोग करके और एन्ट्रापी के बारे में इसकी चर्चा करके, एक रबर श्रृंखला के विरूपण से उत्पन्न बल को उसके मूल गैर-विस्तारित संरूपण से प्राप्त किया जा सकता है। <math>\Omega</math> h> बहुलक श्रृंखला के अनुरूपताओं की संख्या है। चूँकि विकृति में एन्थैल्पी परिवर्तन | रबर लोच के फ्लोरी सिद्धांत ने बताया है कि रबर लोच में मुख्य रूप से एन्ट्रोपिक उत्पत्ति होती है। हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा के लिए निम्नलिखित बुनियादी समीकरणों का उपयोग करके और एन्ट्रापी के बारे में इसकी चर्चा करके, एक रबर श्रृंखला के विरूपण से उत्पन्न बल को उसके मूल गैर-विस्तारित संरूपण से प्राप्त किया जा सकता है। <math>\Omega</math> h> बहुलक श्रृंखला के अनुरूपताओं की संख्या है। चूँकि विकृति में एन्थैल्पी परिवर्तन सम्मिलित नहीं है, मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन की गणना एंट्रॉपी में परिवर्तन के रूप में की जा सकती है<math>-T\Delta S</math>. यह देखा जा सकता है कि बल समीकरण वसंत के व्यवहार जैसा दिखता है और हुक के नियम का पालन करता है: <math>F = kx</math>, जहां F बल है, k वसंत स्थिरांक है और x दूरी है। सामान्यतः, [[नव-हुकियन ठोस]] | नव-हुकियन मॉडल का उपयोग उनके तनाव-तनाव संबंधों की भविष्यवाणी करने के लिए क्रॉस-लिंक्ड पॉलिमर पर किया जा सकता है: | ||
<math display="block">\Omega = C \exp \left ( \frac{-3\vec{R}^2}{2Nb^2} \right ) | <math display="block">\Omega = C \exp \left ( \frac{-3\vec{R}^2}{2Nb^2} \right ) | ||
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Revision as of 19:49, 28 February 2023
रबड़ लोच क्रॉसलिंक्ड रबड़ की संपत्ति को संदर्भित करता है: इसे अपनी मूल लंबाई से 10 के कारक तक बढ़ाया जा सकता है और जब जारी किया जाता है, तो इसकी मूल लंबाई के करीब वापस आ जाता है। इसे कई बार दोहराया जा सकता है और रबर में कोई स्पष्ट गिरावट नहीं होती है। रबर सामग्री के एक बड़े वर्ग का सदस्य है जिसे इलास्टोमर्स कहा जाता है और उनके आर्थिक और तकनीकी महत्व को कम आंकना मुश्किल है। इलास्टोमर्स ने 20वीं सदी में नई तकनीकों के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है और वैश्विक अर्थव्यवस्था में महत्वपूर्ण योगदान दिया है।[citation needed] रबर लोच कई जटिल आणविक प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होता है और इसकी व्याख्या के लिए उन्नत गणित, रसायन विज्ञान और सांख्यिकीय भौतिकी, विशेष रूप से एन्ट्रापी की अवधारणा के ज्ञान की आवश्यकता होती है। एंट्रॉपी को तापीय ऊर्जा के माप के रूप में माना जा सकता है जो एक अणु में संग्रहीत होता है। सामान्य रबर, जैसे कि पॉलीब्यूटाडाइन और पॉलीसोप्रीन (जिसे प्राकृतिक रबर भी कहा जाता है), पोलीमराइज़ेशन नामक एक प्रक्रिया द्वारा निर्मित होते हैं। बहुत लंबे अणु (बहुलक) रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से छोटी आणविक रीढ़ की इकाइयों को जोड़कर क्रमिक रूप से निर्मित होते हैं। एक रबर बहुलक तीन आयामों में एक यादृच्छिक, ज़िगज़ैग पथ का अनुसरण करता है, जो कई अन्य रबर अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करता है। सल्फर जैसे क्रॉस लिंकिंग अणु के कुछ प्रतिशत को जोड़कर एक इलास्टोमेर बनाया जाता है। गर्म होने पर, क्रॉसलिंकिंग अणु एक प्रतिक्रिया का कारण बनता है जो रासायनिक रूप से रबर के दो अणुओं को एक साथ (एक क्रॉसलिंक) एक साथ जोड़ता है। क्योंकि रबर के अणु इतने लंबे होते हैं, प्रत्येक एक निरंतर आणविक नेटवर्क बनाने वाले कई अन्य रबर अणुओं के साथ कई क्रॉसलिंक्स में भाग लेता है। जैसे ही एक रबर बैंड को फैलाया जाता है, कुछ नेटवर्क चेन को सीधा होने के लिए मजबूर किया जाता है और इससे उनकी एंट्रॉपी में कमी आती है। यह एन्ट्रापी में कमी है जो नेटवर्क श्रृंखलाओं में लोचदार बल को जन्म देती है।
इतिहास
15वीं शताब्दी के अंत में नई दुनिया से यूरोप में इसकी शुरुआत के बाद, प्राकृतिक रबर (पॉलीसोप्रीन) को ज्यादातर एक आकर्षक जिज्ञासा के रूप में माना जाता था। इसका सबसे उपयोगी अनुप्रयोग कागज पर पेंसिल के निशान को रगड़ कर मिटाने की क्षमता थी, इसलिए इसका यह नाम पड़ा। इसके सबसे विशिष्ट गुणों में से एक तापमान में मामूली (लेकिन पता लगाने योग्य) वृद्धि है जो तब होती है जब रबर का एक नमूना खींचा जाता है। यदि इसे जल्दी से वापस लेने की अनुमति दी जाती है, तो समान मात्रा में शीतलन देखा जाता है। इस घटना ने अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जॉन गफ (प्राकृतिक दार्शनिक) का ध्यान आकर्षित किया। 1805 में उन्होंने इस विशेषता पर कुछ गुणात्मक टिप्पणियों को प्रकाशित किया और यह भी बताया कि तापमान के साथ आवश्यक तनन बल कैसे बढ़ता है।[1]
उन्नीसवीं शताब्दी के मध्य तक, ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांत का विकास हो रहा था और इस ढांचे के भीतर, अंग्रेजी गणितज्ञ और भौतिक विज्ञानी लॉर्ड केल्विन[2] दिखाया कि रबर के नमूने को फैलाने के लिए आवश्यक यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन तापमान में वृद्धि के समानुपाती होना चाहिए। बाद में, यह एन्ट्रापी में बदलाव से जुड़ा होगा। ऊष्मप्रवैगिकी का संबंध 1859 में मजबूती से स्थापित हो गया था जब अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जेम्स जौल ने रबर के नमूने के रूप में होने वाली तापमान वृद्धि का पहला सावधानीपूर्वक माप प्रकाशित किया था।[3] इस कार्य ने लॉर्ड केल्विन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की।
1838 में अमेरिकी आविष्कारक चार्ल्स गुडइयर ने पाया कि कुछ प्रतिशत सल्फर मिला कर प्राकृतिक रबर के लोचदार गुणों में अत्यधिक सुधार किया जा सकता है। शॉर्ट सल्फर चेन ने आसन्न पॉलीसोप्रीन अणुओं के बीच रासायनिक क्रॉस-लिंक का निर्माण किया। इससे पहले कि यह क्रॉस-लिंक्ड हो, तरल प्राकृतिक रबर में बहुत लंबे बहुलक अणु होते हैं, जिसमें हजारों आइसोप्रेन बैकबोन इकाइयां होती हैं, जो सिर से पूंछ तक जुड़ी होती हैं (सामान्यतः चेन के रूप में संदर्भित)। प्रत्येक श्रृंखला बहुलक तरल के माध्यम से एक यादृच्छिक, तीन आयामी पथ का अनुसरण करती है और हजारों अन्य आस-पास की श्रृंखलाओं के संपर्क में है। जब लगभग 150C तक गर्म किया जाता है, तो प्रतिक्रियाशील क्रॉस-लिंकर अणु, जैसे कि सल्फर या डाइक्यूमिल पेरोक्साइड, विघटित हो सकते हैं और बाद की रासायनिक प्रतिक्रियाएँ आसन्न श्रृंखलाओं के बीच एक रासायनिक बंधन उत्पन्न करती हैं। एक क्रॉसलिंक को 'X' अक्षर के रूप में देखा जा सकता है, लेकिन इसकी कुछ भुजाएँ विमान से बाहर की ओर इशारा करती हैं। नतीजा एक तीन आयामी आणविक नेटवर्क है। पॉलीसोप्रीन के सभी अणु इन रासायनिक बंधों (नेटवर्क नोड्स) द्वारा कई बिंदुओं पर एक साथ जुड़े होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक विशाल अणु होता है और मूल लंबे पॉलीमर के बारे में सभी जानकारी खो जाती है। एक रबड़ बैंड एक अणु है, जैसा कि एक लेटेक्स दस्ताने है! दो आसन्न क्रॉस-लिंक्स के बीच पॉलीसोप्रीन के वर्गों को नेटवर्क चेन कहा जाता है और इसमें कई सौ आइसोप्रीन इकाइयां हो सकती हैं। प्राकृतिक रबड़ में, प्रत्येक क्रॉस-लिंक एक नेटवर्क नोड उत्पन्न करता है जिसमें से चार श्रृंखलाएं निकलती हैं। यह वह नेटवर्क है जो लोचदार गुणों को जन्म देता है।
रबर के विशाल आर्थिक और तकनीकी महत्व के कारण, यह भविष्यवाणी करना कि कैसे एक आणविक नेटवर्क यांत्रिक उपभेदों पर प्रतिक्रिया करता है, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए स्थायी रुचि रही है। रबर के लोचदार गुणों को समझने के लिए, सैद्धांतिक रूप से, आणविक स्तर पर होने वाले दोनों भौतिक तंत्रों को जानना आवश्यक है और बहुलक श्रृंखला की यादृच्छिक-चलना प्रकृति नेटवर्क को कैसे परिभाषित करती है। बहुलक श्रृंखलाओं के छोटे वर्गों के भीतर होने वाले भौतिक तंत्र लोचदार बलों का उत्पादन करते हैं और नेटवर्क आकृति विज्ञान यह निर्धारित करता है कि ये बल मैक्रोस्कोपिक तनाव (यांत्रिकी) का उत्पादन करने के लिए कैसे गठबंधन करते हैं, जिसे हम रबड़ के नमूने के विकृत होने पर देखते हैं, उदा। विरूपण (यांत्रिकी) के अधीन।
आण्विक स्तर के मॉडल
वास्तव में कई भौतिक तंत्र हैं जो नेटवर्क श्रृंखलाओं के भीतर लोचदार बल उत्पन्न करते हैं क्योंकि रबड़ का नमूना फैला हुआ है। इनमें से दो एन्ट्रापी परिवर्तन से उत्पन्न होते हैं और एक चेन बैकबोन के साथ आणविक बंधन कोणों की विकृति से जुड़ा होता है। ये तीन तंत्र तुरंत स्पष्ट होते हैं जब मध्यम मोटे रबर के नमूने को मैन्युअल रूप से खींचा जाता है। प्रारंभ में, रबर काफी कठोर महसूस होता है, अर्थात तनाव के संबंध में बल को उच्च दर से बढ़ाया जाना चाहिए। मध्यवर्ती उपभेदों पर, समान मात्रा में खिंचाव पैदा करने के लिए बल में आवश्यक वृद्धि बहुत कम होती है। अंत में, जैसे ही नमूना ब्रेकिंग पॉइंट तक पहुंचता है, इसकी कठोरता स्पष्ट रूप से बढ़ जाती है। प्रेक्षक जो देख रहा है वह लोच के मापांक में परिवर्तन है जो विभिन्न आणविक तंत्रों के कारण होता है। इन क्षेत्रों को चित्र 1 में देखा जा सकता है, प्राकृतिक रबर के लिए एक विशिष्ट तनाव बनाम तनाव माप। तीन तंत्र (लेबल Ia, Ib और II) मुख्य रूप से भूखंड पर दिखाए गए क्षेत्रों के अनुरूप हैं। एंट्रॉपी#सांख्यिकीय यांत्रिकी की अवधारणा हमारे पास गणितीय भौतिकी के क्षेत्र से आती है जिसे सांख्यिकीय यांत्रिकी कहा जाता है जो बड़े तापीय प्रणालियों के अध्ययन से संबंधित है, उदा। कमरे के तापमान पर रबर नेटवर्क। यद्यपि घटक श्रृंखलाओं का विस्तृत व्यवहार यादृच्छिक है और व्यक्तिगत रूप से अध्ययन करने के लिए बहुत जटिल है, हम एक बड़े नमूने के सांख्यिकीय यांत्रिकी विश्लेषण से उनके 'औसत' व्यवहार के बारे में बहुत उपयोगी जानकारी प्राप्त कर सकते हैं। हमारे रोजमर्रा के अनुभव में एंट्रॉपी परिवर्तन कैसे बल उत्पन्न कर सकते हैं इसका कोई अन्य उदाहरण नहीं है। बहुलक शृंखलाओं में एंट्रोपिक बलों को तापीय टक्करों से उत्पन्न होने वाला माना जा सकता है जो उनके घटक परमाणुओं को आसपास की सामग्री के साथ अनुभव करते हैं। यह निरंतर धक्का-मुक्की है जो जंजीरों में एक प्रतिरोधी (लोचदार) बल पैदा करती है क्योंकि उन्हें सीधा होने के लिए मजबूर किया जाता है। रबर के नमूने को खींचना लोच का सबसे आम उदाहरण है, यह तब भी होता है जब रबर को संकुचित किया जाता है। संपीड़न को दो आयामी विस्तार के रूप में माना जा सकता है जब एक गुब्बारा फुलाया जाता है। लोचदार बल उत्पन्न करने वाले आणविक तंत्र सभी प्रकार के तनाव के लिए समान हैं।
जब इन लोचदार बल मॉडल को नेटवर्क के जटिल आकारिकी के साथ जोड़ दिया जाता है, तो मैक्रोस्कोपिक तनाव की भविष्यवाणी करने के लिए सरल विश्लेषणात्मक सूत्र प्राप्त करना संभव नहीं होता है। यह केवल कंप्यूटरों पर संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से है कि रबर के नमूने के तनाव और अंतिम विफलता की भविष्यवाणी करने के लिए आणविक बलों और नेटवर्क आकृति विज्ञान के बीच जटिल बातचीत को पकड़ना संभव है क्योंकि यह तनावपूर्ण है।
रबर लोच के लिए आणविक किंक प्रतिमान[4]
फ़ाइल: लोच की तुलना सिद्धांत से ट्रेलोअर डेटा.टीआईएफ|थंब|अंजीर में की जाती है। 1 प्राकृतिक रबर नेटवर्क के लिए तनाव बनाम तन्यता तनाव। ट्रेलोअर (ठोस नीला), सैद्धांतिक सिमुलेशन (धराशायी लाल) द्वारा प्रायोगिक डेटा मॉलिक्यूलर किंक प्रतिमान सहज धारणा से आगे बढ़ता है कि एक प्राकृतिक रबर (आइसोप्रीन) नेटवर्क बनाने वाली आणविक श्रृंखलाएं 'ट्यूब' के भीतर रहने के लिए आसपास की जंजीरों से विवश हैं। एक श्रृंखला में उत्पन्न लोचदार बल, कुछ लागू तनाव के परिणामस्वरूप, इस ट्यूब के भीतर श्रृंखला समोच्च के साथ प्रचारित होते हैं। चित्र 2 प्रत्येक छोर पर एक अतिरिक्त कार्बन परमाणु के साथ एक चार-कार्बन आइसोप्रीन बैकबोन इकाई का प्रतिनिधित्व दिखाता है, जो एक श्रृंखला पर आसन्न इकाइयों से इसके कनेक्शन को इंगित करता है। इसमें तीन सिंगल C-C बॉन्ड और एक डबल बॉन्ड होता है। यह मुख्य रूप से सीसी सिंगल बॉन्ड के बारे में घूर्णन करके है कि एक पॉलीसोप्रीन श्रृंखला यादृच्छिक रूप से इसकी संभावित अनुरूपताओं की पड़ताल करती है। दो और तीन आइसोप्रीन इकाइयों के बीच वाली श्रृंखला के खंडों में पर्याप्त लचीलापन है कि उन्हें एक दूसरे से सांख्यिकीय रूप से असंबद्ध माना जा सकता है। यही है, इस दूरी से अधिक दूरी के लिए श्रृंखला के साथ कोई दिशात्मक संबंध नहीं है, जिसे कुह्न लंबाई कहा जाता है। ये गैर-सीधे क्षेत्र 'किंक्स' की अवधारणा को उद्घाटित करते हैं और वास्तव में रैंडम वॉक # हायर डायमेंशन | रैंडम-वॉक प्रकृति की श्रृंखला की अभिव्यक्ति हैं। चूँकि एक किंक कई आइसोप्रीन इकाइयों से बना होता है, जिनमें से प्रत्येक में तीन कार्बन-कार्बन सिंगल बॉन्ड होते हैं, एक किंक के लिए कई संभावित अनुरूपताएँ उपलब्ध होती हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक अलग ऊर्जा और अंत-टू-एंड दूरी होती है। सेकंड से लेकर मिनट तक के समय के पैमाने पर, श्रृंखला के केवल इन अपेक्षाकृत छोटे वर्गों, यानी किंक, में उनके संभावित घूर्णी अनुरूपताओं के बीच स्वतंत्र रूप से स्थानांतर