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粘弾性

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（画像はイメージです）

粘弾性とは、変形時に粘性と弾性の両方の特性を示す材料の性質です。蜂蜜のような粘性材料は、せん断流に抵抗し、 strain 時間とともに線形にストレス弾性材料は、ゴムバンドのように、伸ばすと歪み、応力が取り除かれるとすぐに元の状態に戻ります。粘弾性材料は、この両方の性質を兼ね備えています。

粘弾性挙動は、材料の微細構造が時間とともに再配列することによって生じる現象です。応力が加わると、エネルギーの一部は分子結合の伸縮や曲げによって弾性的に蓄積され、残りの一部は分子同士の粘性滑りによって熱として散逸されます。この二重の挙動により、いくつかの特徴的な現象が生じます。その一つがクリープで、一定の荷重下で材料が時間とともにゆっくりと変形し続ける現象です。もう一つは応力緩和で、材料の内部構造が再配列するにつれて、一定のひずみを維持するために必要な応力が時間とともに減少する現象です。

この時間依存応答は、理想的なバネ（フックの法則に従って弾性成分を表す）とダッシュポット（ニュートンの法則に従って粘性成分を表す）の組み合わせを使用してモデル化されることが多い。粘度). Simple models like the Maxwell model (spring and dashpot in series) and the Kelvin-Voigt model (spring and dashpot in parallel) capture the basic features of stress relaxation and creep, respectively. More complex models, such as the Standard Linear ソリッドモデルこれらの要素を組み合わせることで、実際の材料をより正確に記述することができる。

粘弾性材料の挙動は、温度と加えられるひずみ速度に大きく依存する。低温または高ひずみ速度では、弾性固体のような挙動を示す傾向があり、高温または低ひずみ速度では、粘性流体のような挙動を示す。これは時間-温度重ね合わせの原理として知られている。

クリープテスト, エラストマー, 機械的特性, ポリマー, 品質保証, 品質管理, レオロジー, 応力腐食, 振動解析

UNESCO Nomenclature: 2203

連続体力学

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

フックの弾性法則（1660年）
ニュートンの粘性法則（1687年）
ヴィルヘルム・ウェーバーによる弾性の影響に関する初期の研究（1835年）
高分子科学の発展

アプリケーション

低反発マットレス
車両のショックアブソーバー
synthetic polymers and plastics
人体組織と生体力学
振動減衰材
感圧接着剤

特許:

潜在的なイノベーションのアイデア

self-healing polymer composites for aerospace
biocompatible hydrogels for tissue engineering with tunable stiffness
4d printed materials that change shape over time
energy-harvesting materials that convert mechanical vibrations into electricity
adaptive camouflage that changes texture
smart packaging that indicates freshness by changing its rheological properties
音響 metamaterials for advanced soundproofing
injectable gels for minimally invasive surgery

Related to: viscoelasticity, rheology, creep, stress relaxation, polymers, biomechanics, マクスウェル model, kelvin-voigt model.

歴史的背景

燃料電池

燃料電池は、燃料（通常は水素）と酸化剤（多くの場合酸素）の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学装置です。電池とは異なり、動作には燃料と酸化剤の継続的な外部供給が必要です。主要構成要素は、陽極、陰極、およびそれらを隔ててイオン輸送を促進する電解質です。

Demonstration of Joule heating in a vintage laboratory with electric appliances.

ジュール熱と電力

ジュール熱、またはオーム熱とは、導体を流れる電流によって熱が発生する現象です。熱発生率、すなわち消費電力（[latex]P[/latex]）は、ジュールの第一法則[latex]P = VI[/latex]で表されます。これをオームの法則と組み合わせると、電力は[latex]P = I^2 R[/latex]または[latex]P = frac{V^2}{R}[/latex]と表すことができます。

Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

理想気体の内部エネルギーとエンタルピー

理想気体の場合、内部エネルギー ([latex]U[/latex]) とエンタルピー ([latex]H[/latex]) は温度のみの関数です。それらの変化は [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] および [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex] で与えられます。ここで、[latex]c_v[/latex] と [latex]c_p[/latex] はそれぞれ定容比熱と定圧比熱であり、一定であると仮定されます。

粘弾性

Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

昇華エンタルピー

昇華エンタルピー [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex] は、特定の温度と圧力で 1 モルの物質を固体から気体に変化させるのに必要な熱量です。ヘスの法則によれば、エンタルピーは状態関数であるため、このエネルギー変化は融解エンタルピー ([latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]) と蒸発エンタルピー ([latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]) の合計になります。

Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

熱力学第二法則

熱力学第二法則はエントロピーの概念を導入し、自発的な過程の方向を定義します。この法則は様々な形で表現できますが、重要な帰結として、孤立系の全エントロピーは時間とともに決して減少しないということが挙げられます。この法則は「時間の矢」を説明し、熱が高温物体から低温物体へ自発的に流れるといった過程が不可逆である理由を明らかにします。

Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

完全気体モデル

理想気体とは、分子間力を無視し、比熱容量（[latex]C_P[/latex]と[latex]C_V[/latex]）が温度に対して一定であると仮定した気体の理論モデルです。これにより、熱力学的計算が大幅に簡略化されます。これは、比熱が温度によって変化する理想気体の特殊なケースであり、より制約の多いモデルと言えます。

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ダニエル細胞操作

ボルタ電池を改良したダニエル電池は、多孔質隔壁で隔てられた、硫酸銅(II)溶液中の銅電極と硫酸亜鉛溶液中の亜鉛電極から構成されています。この2流体構造により、銅電極上での水素ガスの蓄積（分極）が防止され、より安定した信頼性の高い電圧源を長期間にわたって得ることができます。

Solar panel installation demonstrating the photovoltaic effect in solid state physics.

光起電力効果

光起電力効果とは、物質に光が照射された際に電圧と電流が発生する現象です。これは物理的かつ化学的な現象です。一般的な応用例としては太陽電池があり、これはこの効果を利用して太陽光を直接電気に変換します。この効果は、光子が電子をより高いエネルギー状態に励起することに基づいています。

19th century laboratory with thermodynamic instruments and Mayer's relation equations.

メイヤーの関係式（熱力学）

メイヤーの関係式は、理想気体の比熱と比気体定数（[latex]R_s[/latex]）の関係を表します。その関係式は [latex]c_p - c_v = R_s[/latex] です。モル比熱（[latex]C_p[/latex] および [latex]C_v[/latex]）については、[latex]C_p - C_v = R[/latex] の関係式となります。ここで、[latex]R[/latex] は普遍気体定数です。このことから、[latex]c_p[/latex] は常に [latex]c_v[/latex] より大きいことがわかります。

19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

エネルギー保存の法則

孤立系の全エネルギーは時間とともに一定に保たれるという基本原理。エネルギーは生成も消滅もせず、位置エネルギーから運動エネルギーのように、ある形態から別の形態へと変換されるだけである。古典力学では、保存力のみを持つ系の場合、全力学的エネルギー[latex]E = T + V[/latex]は保存される。

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

粘度の温度依存性

ニュートン流体の場合、粘度は温度と圧力の関数であり、せん断速度の関数ではありません。液体では、温度が上昇すると粘度は著しく低下します。これは、熱エネルギーが高くなると、分子が分子間凝集力をより容易に克服できるためです。逆に、気体では、温度の上昇とともに粘度が増加します。これは、高速で分子衝突が頻繁に起こることで、運動量の伝達が大きくなるためです。