Proprietà termodinamiche della gomma

Il comportamento elastico della gomma è determinato dai legami trasversali che collegano le molecole e impediscono deformazioni permanenti. Sotto sollecitazione, le macromolecole assumono la configurazione di massima probabilità per massima entropia. Dopo la sollecitazione, la tendenza al ritorno alla configurazione di riposo provoca una reazione elastica alle deformazioni. In una gomma ideale, questa forza è proporzionale alla temperatura e causata dalla diminuzione dell’entropia.

Quando la gomma è sottoposta a tensione uniassiale, secondo il Primo principio della termodinamica, la variazione dell’energia interna del sistema è data da dU = dQ – dW, dove dQ è il calore scambiato e dW è il lavoro. Per tensione uniassiale, il lavoro fatto dalla forza f è dWf = – fdL, e se il processo di deformazione è reversibile, dQ = TdS, dove S rappresenta l’entropia del sistema. Combinando le equazioni, considerando costante il volume e la temperatura, si ottiene: dU = TdS + fdL.

Forza tensile

La forza tensile, cioè la resistenza alla trazione del materiale, è definita come il carico massimo sopportato prima della frattura ed è data da: F = (dU/dL) T,V – T(dS/dL) T,V. Il primo termine rappresenta il contributo energetico alla forza tensile, cioè l’elasticità energetica, mentre il secondo termine rappresenta il contributo entropico alla forza tensile, dovuto alla diminuzione di entropia per lo srotolamento dei segmenti della catena. Appena la gomma viene allungata, la catena si muove da uno stato più probabile ad elevata entropia a uno meno probabile a bassa entropia, determinando la forza retrattile. Pertanto, l’elasticità della gomma è di natura entropica e la componente energetica è generalmente trascurabile.