[이론] 에너지 탄성과 엔트로피 탄성

에너지 탄성이란 작은 변형이 발생할 때 분자결합을 축으로 회전이 일어나고 결합각과 결합길이가 변함에 따라 유발되는 저장 에너지를 말한다.즉,내부 에너지가 달라진다는 의미는 새로운 결합의 생성이나 파괴,분자간 거리의
변화에 따라 vanderwalls힘에서 위치에너지의 변화를 의미한다.
따라서 이들 재료의 경우 응력에 의해 원자간의 거리가 아주 작게 변한 경우는 응력제거 시 탄성성질에 의해 회복이 가능하지만,이 이상의 변형을 받게되면 원자간 거리가 증가되어 소성흐름에 의해 영구변형이 생기거나 파괴로 이어진다.따라서 에너지 탄성이란 사슬분자간에 작용하는 에너지 보다는 한 사슬 내에서 작용하는 원자들간의 발생하는 에너지 이다.
이에 반해 엔트로피 탄성은 물질의 상태를 나타내는 의미로써,물질을 구성하는 입자의 배열이나 질서의 정도를 나타낸다.이는 열의 이동에 따라 발생하는 힘으로써,불안정한 사슬의 배열상태가 평형적이고 안정한 상태로 할 때

엔트로피는 증가하게 된다.즉,분자사슬에 외력이 가해질 때 엔트로피가 감소하게 되며,외력을 제거하면 자발적인 과정에 의해 엔트로피가 높은 원래의상태로 되돌아가게 된다.

엔트로피 탄성을 설명하기 위해서는 [그림 2.2]에서 보는 바와 같이 하나의 고분자 사슬에 인장력을 가할 때 사슬의 엔트로피 변화를 살펴보면,외력이 작용하지 않을 때 고분자 사슬은 무질서 하게 뭉쳐진 형태를 가지며 여러 가지
형태를 지닐 수 있다.하지만 응력이 가해짐에 따라 분자사슬들이 재배열을 통하여 감소된 엔트로피의 형태 즉,신장방향으로 사슬이 배열하게 된다.그러나 인장력이 제거되면 열역학적인 원칙에 의해 엔트로피가 증가하는 방향인

고분자 사슬이 무질서하게 움직이게 된다.따라서 분자 사슬들이 재배열 되기 전의 모습을 회복하게 된다.

고무탄성은 에너지 탄성과 엔트로피 탄성으로 구성되어 있다[6].고무는 분자사슬들이 서로 가교된 구조이기 때문에 외력을 가하면 얽힌 사슬이 풀리면서 매우 쉽게 늘어나게 된다.따라서 이 상태에서는 원자들간의 결합길이나
결합각에는 큰 영향을 미치지 못하고 단지 엔트로피만이 감소하게 된다.하지만 외력을 제거하면 고무는 엔트로피 탄성에 의해서 원래의 상태로 회복된다.

 

그러나 변형이 크게 일어나서 더 이상의 신장이 어려운 상태,즉 가교결합에 의해 연결된 사슬분자들이 더 이상 풀리지 못한 상황에서는 엔트로피의 변화보다는 원자 결합각이 늘어나게 될 것이다.따라서 이 때 외력을 제거하면 처
음 잠깐 동안에는 에너지 탄성이 작용하고,그 후에는 엔트로피 탄성이 작용하여 고무가 원래의 상태로 회복된다.고무에 일정하중을 가한 상태에서 가열하면 사슬형태의 경우의 수가 증가하게 되며 이로 인해 엔트로피가 증가한다.
따라서 [그림 2.2]의 오른쪽 형태의 사슬이 왼쪽 형태의 사슬로 수축되기 때문에 고무가 줄어들게 된다.또한 고무를 순간적으로 신장시키면 사슬형태의 경우의 수가 감소하게 되고 이로 인해 엔트로피가 감소하게 되므로 열이 발생하
게 된다.

 

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