دانلود تحقیق ویژگی های ترمودینامیکی الاستومرها

مقدمه: وسایل لاستیکی که در زندگی روزمره بسیار معمول هستند، و هر کسی در زندگی حداقل با بعضی از ویژگی های فیزیکی طبقه ای از پلیمرها که الاستومر ها نامیده میشوند آشناست.

پاره ای از ویژگی های الاستومرها: الاستومرها قادر هستند چند برابر طول اصلیشان کشیده شوند با یک نیروی تقریباً کم هنگامی که نیروی وارد به جسم کم می شود، این اجسام به سرعت به حالت اولیه شان بر می گردند و خصوصیت فنریت یا ارتجاعی گره های انتقالی جهت خاصیت ارتجاعی بسیار نزدیک به صفر است.

الاستومرها هیچ تغییر شکل همیشگی و ثابتی را متحمل نمی شوند به همان دلیل خاصیت ارتجاعی هنگامی که کاملاً کشیده می شوند و یا نزدیک به آن حالت قرار دارند، از خود قدرت کششی و سختی بالایی نشان می دهند.

خصوصیاتی که در بالا ذکر شد، همگی در سطح میکروسکوپی قابل دیدن هستند، که در زمینه ( ترمودینامیک کلاسیک) می توان آنها را بررسی کرد.

این رفتار کلاسیکی هیچ گونه اطلاعات و خصوصیاتی از ساختار مولکولی احتیاج ندارد هر چند که، جهت نمایش دادن این خصوصیات، پلیمرها باید ویژگی های مولکولی شخصی داشته باشند.

1)پلیمر باید وزن مولکولی بالایی داشته باشد.

2) برای بیشتر قسمت ها، پلیمر باید فعالیت درونی ضعیفی بین رشته ها برقرار باشد.

برای مثال، لاستیک طبیعی که کائوچو نیز نامیده می شود، پس از سرچشمه آن به عنوان « شیره درخت کائوچو» یک وزن مولکولی حدود 000/350 دارد.

ترکیب شیمیایی آن پلی است که در مواد تغییر داده نشده است و فقط دارای نیروهای ضعیف بین مولکولی است.

این نیروها درونی هستند.

شکل (1) 3) پلیمر باید بی شکل باشد( غیر بلوری) و بایستی دمای تبدیل شیشه ای آن،Tg ، باشد .

«Tg » دما یا محدوده دمایی است که در بالاتر از آن دما، پلیمر یک تغییر مشخص در چندین خصوصیت فیزیکی نشان می دهد.

حجم ویژه محسوس تر، ضریب گرمایی، کشسانی(ارتجاعیت) و علامت انکساردر پائین تر از Tg ممکن است، چرخش های کوچک محلی وجود داشته باشد؛ مثلاً دوران حول c-c انجام شده در یک گروه کناری مثل گروه متیل.

اما خود زنجیره های پلیمر در محل های ثابت، قرار می یگرند؛( هر چند نه در یک سری منظم بلوری) پلیمر یک شیشه سخت اما شکننده است.

در بالاتر از دمای« تبدیل گرمایی شیشه ای» انرژی گرمایی برای اجازه دادن به دوران و تبدیل شدن اما به صورت محدود قسمت بلند رشته پلیمری کافی است.

در مقیاس میکروسکوپی، پلیمر خصوصیات بعدی یک جامد را دارد، اما در سطح مولکولی قسمت های رشته ای، خصوصیات مورد مطالعه هستند.

اطلاعات با تغییر« آنتروپی» توسط معادلات ترمودینامیک کلاسیک، و با کشش مرتبط است.

نتایج ممکن است جهت فراهم کردن پیش بینی های مدل مکانیکی استاتیکی، کشسانی( پلاستیکی) و جهت محاسبه تعداد بخش های زنجیره ای فعال در سطح مولکولی استفاده شوند.

II : تئوری هر چند که ویژگی های مولکولی ، برای توضیح معادلاتی که از زمان دور سرچشمه گرفته اند، به کار برده می شده است.

روابط ترمودینامیک، خودشان شامل هیچ اصولی در مورد رفتار میکروسکوپی« الاستومرها» نمی شوند.

همه پارامترها( دما، نیرو،طول، حجم) می توانند به صورت مستقیم بر روی مثال حجمی اندازه گیری شوند.

رفتار مولکولی کشسانی الاستیک شامل استفاده از « مکانیک استاتیکی» می شود و مشاهدات میکروسکوپی نیز می توانند برای چک کردن پیش بینی های مدل تئوری مورد استفاده قرار می گیرند.

مراجع مختلف مشتقاتی قابل خواندن از تئوری فراهم می کنند که در اختصار در این جا توصیف می گردد.

مطابق توضیح مولکولی که در بخش مقدمه ذکر شد، تئوری بیان می کند که هیچ گونه کشف انرژی داخلی در فرایند کشش وجود ندارد.

کار کشش لازم تنها برای غلبه بر آنتروپی خصوصاً تغییرات ناخواسته آنتروپی«Scon » که با راه های بسیاری که زنجیره ها می توانند به طور فضائی توسط چرخش های حول گروه های تک مرتب شوند.

Scon =H ln w ,eq آنتروپی هم پیکر، با فرمول بولستمان، نامیده می شود.

K ثابت بولستمان است .

w : مجموع تعداد هم پیکرهای موجود در سیستم است.

بنابراین هدف نمایش در هر نوع لاستیک کشیده شده و کشیده نشده است.

در ساده ترین شکل، در مورد مدل یک بخش زنجیره ای بحث می کند که به عنوان ، یک سری از رشته های(n) پوششی هستند( مشابه گروههای شیمیایی) که به اثبات رسیده که آنها به طور آزادانه وصل هستند.

آنها توسط زوایای دسته ها و یا حجمی که اشغال می کنند، محدود نمی شوند.

در شبکه پلیمری یک بخش زنجیره ای با بخش گسترش پلیمر، از یک رابطه ضربدری به بعدی شباهت دارد.

به فرض اینکه یک بخش، به بسط کامل نمی رسد.

احتمال اینکه به صورت بی نظم از یک نقطه دلخواه(x, y,z) به نقطه ای دیگر(x +dxu,y +dyu ,zdzu) کشیده شود به وسیله یک توزیع گوسی» ساده که در آن مولفه (u) به پلیمر نفشرده، اشاره می کند، داده می شود.

در مجموع نهایی برابر است با برابر است با فاصله گرد بین دو انتهای بخش زنجیری که تقسیم می شود بر میدان میانی فاصله « تو به تو» که بدست می آید با که No مجموع تعداد هم پیکرهای ممکن موجود در بخش زنجیری است.

مجموع تعداد راهها w ، که بخش پایان می یابد، می تواند به وسیله جدا شود، که احتمال داده شده توسط معادله 14 با تعداد هم پیکری ها ضرب شود.

که جایگزین مرحله می‌شود که در طول مشتق گیری ثابت می‌ماند.

فاصله تو به تو میدان میانی ، در بحث کامل نشان داده می شود تا برابر شود با که l طول هر رابط است.

بنابراین فاصله RMS خودش نقطه خیلی کمتر از «nL» برای مقدار زیادی n است.

بسیاری روابط، این نتیجه و این اصل را ثابت می کند که بخش به کشش نهایی اش نمی رسد.

شبکه پلیمر به بخش های V شکل یکسان فرض می شوند، برای این مجموع تعداد نهایی هم پیکری ها «w »( w ) که در بخش های نفشرده پایان می یابند، به وسیله جدا می شوند.

بنابراین آنتروپی هم پیکری لاستیک نفشرده برابر است با در معادله 16 هر کدام از می توانند به وسیله متوسط میدان میانی برای مجموع جایگزین شوند که نشان دهد : بیان برای «S » آنتروپی هم پیکری برای مثال کشیده شده، به روشی مشابه گرفته می شود.

اما با اصول اضافی که کشش پلیمر یک تغییر شکل کششی است.

این بدان معناست که تغییرات در مؤلفه های (x,y,z) از بخش هر زنجیره به تغییرات تطابقی در موارد حجمی، نسبی هستند.

که و با تغییرات مرتبط مخصوص در مثال حجمی مطابقت می‌کنند.

بنابراین آنتروپی لاستیک کشیده شده برابر است با ‌ و تفاوت ها در آنتروپی های مثال های کشیده شده و کشیده نشده برابر است با برای یک شبکه « ایزوتوپی» همه دستورات به طور مساوی ممکن هستند پس در میانگین با این جایگزین ها تفاوت در آنتروپی ها کاهش می یابد به این معادله بیشتر ساده می شود، زیرا کشش یک فرآیند با حجم ثابت است.

اگر محور x به عنوان سیر کشش انتخاب گردد.

روابط زیر برقرار است.

جایگزینی این معادلات در معادله24 گسترش دلخواه برای آنتروپی پلیمر کشیده شده را می دهد معادله 26 ممکن است نسبت به تغییر نماید و مطابق زیر شود ترکیب این نتایج با معادله شماره 8 و تعریف می دهد.

که Ne تعداد بخش های زنجیره ای از نظر کشسانی فعال برای هر حجم قسمتی است.

پس، هر قطعه ای از فشار( با استفاده از محدوده بخش ضروری) در مقابل در دمای ثابت باید با دامنه Nekt به شکل خطی باشد.

رابطه نمی تواند برای بیشتر از حدود 4 بکنجاند( کششی بیش از %300) زیرا به فرض اینکه یک زنجیره پلیمری یک فاصله تو به تو دارد که کاملاً کمتر از طول در کشش نهایی است.

پس نمی تواند آنرا در طول بگنجاند، همچنین، همان طور که در بالا بحث شد، الاستومر ممکن است مناطق بلوری را هنگامی که زنجیره های پلیمری گسترش پیدا کرده اند.

و یک ترتیب منظم تری را قبول کرده اند، گسترش دهد.

شکل معادله 29 بسیار شبیه به قانون گاز ایده آل است که ممکن است به صورت زیر نوشته شود که N تعداد مولکول های گاز است و حجم اولیه و قسمت داخل پرانتز «فاکتور گسترش» است.

فشار، که واحدهای نیرویی برای هر واحد از منطقه دارد، قابل قیاس با فشار گاز است.

و تعدادی بخش های زنجیره ای فعال کشسانی جایگزین تعدادی مولکول گاز می گردند.

تفاوت ها در معادله 29 و 30 در قسمت موجود در پرانتز اتفاق می افتد.

اول از همه، خارج قسمت ها برعکس می شوند .

( در مقابل ) برای یک گاز ایده آل فشار، حجم را افزایش می دهد.

اما فشار بر روی یک تکه لاستیک طول را افزایش می دهد.

همچنین عامل فشار( کشش) از معادله29 چیزی پیچیده تر از عامل گسترش گاز ایده ال است، به دلیل تراکم پذیری نزدیک پلیمر(3) دلایل برای شباهت، با ترمودینامیک اساس سیستم ها ارتباط دارد.

برای یک لاستیک ایده آل هیچ گونه تغییر انرژی درونی« برای کشش هم دما» وجود ندارد.

فرآیندها همگی آنتروپی هستند.

گاز به حداکثر آنتروپی اش گسترش می یابد، در حالی که هنگامی که فشار کششی از بین می رود، مولکول ها در لاستیک به حالت بی نظمی ( حلقه بی نظم) خود بر می گردند.

معادله 29 ممکن است برای دادن« ضریب یانگ» تغییر کند.

که قسمت دوم در پرانتز لازم است تا منطقه ضربدری را به سود متال کشیده شده، درست کند یک مقدار متوسط برای Ne ممکن است از نقطه در مقابل بدست آید.

سپس از معادله 31 در هر دما و کشش ویژه ای، یک مقدار از نظر تئوری پیش بینی شده، از Y ممکن است حساب شود.

Y پیش بینی شده از نظر تئوری با مقدار بدست آمده به طور مستقیم از f در مقابل قطعه ، در همان دما مطابقت نماید.