Подобное объяснение, как и любое объяснение с позиций термодинами­ки, — формальное. Оно ничего не гово­рит о том, что творится «внутри» лен­ты — на молекулярном уровне. Оказы­вается, растяжение и сокращение ленты (при постоянной температуре) не приво­дят к изменению её внутренней энергии/ а все процессы в ней связаны с измене­нием энтропии. Вероятно, проще всего объяс­нить суть явления на примере одной по­лимерной молекулы. А начать лучше с ещё более простой аналогии —длинной верёвки.

Очевидно, что, если верёвку растя­нуть во всю длину, сложить змейкой или свернуть в тугой клубок, её внутренняя энергия в любом из этих состояний бу­дет одинаковой. Энтропия же, т. е. ме­ра беспорядочности, минимальна, когда верёвка вытянута в струнку (ведь такое положение одно-единственное), и макси­мальна, когда расстояние между её концами равно корень квадратный из l, где l — длина верёв­ки. Можно доказать, что наиболее веро­ятно состояние, когда расстояние между концами верёвки равно корень квадратный из l.

Молекула полимера отличается от верёвки тем, что она, словно встрево­женная змея, постоянно находится в движении: каждый фрагмент этой моле­кулы испытывает различные колебания, и они тем интенсивнее, чем выше температура. Внутренняя же энергия моле­кулы, как и верёвки, не зависит от её формы. Если концы «живой» молекулы полимера не закреплены, то наиболее вероятное расстояние между ними (ког­да энтропия максимальна) равно корень квадратный из l. Если бы можно было взяться за концы та­кой молекулы, мы бы почувствовали не­прерывные толчки, причём хаотичные, без выраженного направления, равно­мерно распределённые во все стороны. Если теперь резко растянуть молекулу, то отдельные её фрагменты начнут ко­лебаться с большей частотой — молеку­ла «нагреется». (Аналогичный эффект можно наблюдать, раскрутив скакалку, а потом резко потянув в стороны её руч­ки.) С точки зрения термодинамики про­изошло вот что: работа, которую затра­тили на растяжение молекулы, пошла на увеличение её внутренней энергии.

Если удерживать молекулу в растя­нутом состоянии, она скоро «осты­нет», отдав излишек тепловой энергии «соседям» (например, молекулам возду­ха) и «рукам», которые её удерживают. При этом её внутренняя энергия опять станет такой же, как и в исходном со­стоянии. А энтропия молекулы, очевид­но, уменьшится, и это будет чувство­ваться по тому, что отдельных толчков, направленных на сближение концов, станет намного больше, чем случайных толчков, способствующих дальнейшему растяжению. Проще говоря, растянутая молекула стремится сжаться. Если её нагреть внешним источником, интен­сивность колебаний отдельных фраг­ментов усилится. Это приведёт к тому, что будут сильнее толчки, приложенные к концам молекулы и направленные на их сближение, и если внешняя нагруз­ка на концы останется прежней, то они сблизятся! И наоборот, если принуди­тельно растянутую молекулу охладить, например «обдувая» её холодным воз­духом, то приложенные к её концам толчки станут реже и слабее, так что при неизменной нагрузке молекула растянется.

Но вот растянутая молекула приня­ла температуру окружающей среды. Если теперь снять нагрузку, т. е. позво­лить концам молекулы сблизиться (они снова окажутся на наиболее вероятном расстоянии корень квадратный из l), колебания отдельных её фрагментов станут менее интенсивны­ми: молекула «остыла», её температура понизилась. На языке термодинамики это означает, что молекула совершила работу за счёт своей внутренней энер­гии. Через некоторое время она примет температуру окружения.

Резина — полимер, находящийся в высокоэластичном состоянии: длинные цепи из атомов углерода (слегка скреп­лённые «мостиками» из атомов серы) в ней беспорядочно перепутаны. Но ве­дут они себя в совокупности примерно так же, как и наша одиночная молеку­ла, т. е. при растяжении хаотично свёр­нутые цепи вытягиваются преимущест­венно в одном направлении, а при снятии нагрузки восстанавливается ис­ходное состояние с максимальной эн­тропией. Таким образом, изменение энтропии служит основной «движущей силой» эффекта Гуха — Джоуля.

В этом отношении имеется опреде­лённое сходство между поведением высокоэластичной резины и идеально­го газа. При быстром сжатии газа вся затраченная работа пойдёт на увеличе­ние его внутренней энергии, т. е. тем­пературы. Когда сжатый газ остынет, внутренняя энергия вернётся к прежне­му уровню. Если же позволить сжатому газу расширяться, он совершит работу, а его температура на некоторое время понизится.

На эффекте Гуха — Джоуля основан интересный опыт. У колеса наподобие велосипедного вместо металлических спиц натягивают резиновые жгуты и подвешивают колесо в вертикальном положении так, чтобы оно могло вра­щаться с малым трением. При одинако­вом натяжении жгутов втулка располо­жится точно в центре колеса. Если теперь обдувать горячим воздухом ка­кой-то участок колеса, резиновые жгу­ты в этом месте сократятся и подтянут к себе втулку. Центр тяжести колеса сместится, и оно повернётся: нагретая часть пойдёт вверх, и действию струи го­рячего воздуха подвергнутся следующие жгуты. В результате колесо будет непре­рывно вращаться.

«Дурацкая замазка»

На Международной химической вы­ставке в Москве (1965 г.) в павильоне американской фирмы «Дженерал Элек­трик» демонстрировалось необычное вещество. С виду оно напоминало окон­ную замазку или жёсткий пластилин:

его можно было мять в руках (правда, довольно медленно), лепить из него разные фигурки. В общем, на первый взгляд вроде бы ничего особенного. Од­нако если из этой замазки слепить шар и бросить его на каменный пол, то он не прилипнет к нему, как пластилино­вый, а высоко подскочит! Если шарик смять, медленно растянуть в длинную ленту, а потом резко дёрнуть за концы, она с треском порвётся. Если же по ша­рику стукнуть молотком, он, как стек­лянный, разобьётся на мелкие осколки, которые снова легко слепить в комок.

Когда американские химики впер­вые синтезировали это вещество, они рассчитывали получить новый поли­мер с ценными свойствами, а вышло не­весть что — какая-то дурацкая замазка. Так её и назвали, решив, что единствен­ное достойное для неё место — мага­зин детских игрушек.

Как же вещество может одновре­менно проявлять столь различные свой­ства? Казалось бы, текучесть и упру­гость полностью исключают друг друга,

так что всегда можно сказать, являет­ся ли данное тело твёрдым веществом или жидкостью. Оказывается, не всег­да. Конкретный тому пример — «ду­рацкая замазка» (другое название — «прыгающая замазка»). И он далеко не единственный. Впервые предполо­жение о том, что могут существовать тела, которые являются текучими и упругими одновременно, и что чёткой границы между жидкостью и твёрдым телом не бывает, высказал в XIX в. анг­лийский физик Джеймс Кларк Макс­велл (1831—1879). Тогда это вызвало огромное удивление.

На самом деле ничего странного здесь нет. Ведь и обычная вода, если по ней ударить с большой скоростью, не успеет отреагировать на воздействие и будет сопротивляться ему, как твёр­дое тело (в этом может убедиться каж­дый, если неудачно плюхнется с бере­га в воду животом или же просто стукнет ладонью по поверхности воды). Это свойство жидкости можно прове­рить и более безопасным способом: ес­ли по вытекающей из трубки струе вяз­кой жидкости сильно ударить молотком, струя поведёт себя как хрупкое тело и разобьётся на осколки с острыми кра­ями (это можно зафиксировать с помо­щью скоростной кинокамеры или фото­аппарата с малым временем выдержки).