氣球變身暖暖包!？拉伸會發熱、收縮會變冷「橡膠與熱」的神奇關係
我是科學教練桑子研。每一天都是實驗。
只要把氣球「啵——」地用力拉伸，臉頰就會感覺暖烘烘的。接著放鬆讓它縮回去，馬上又變得涼颼颼……只需要一顆氣球，就能親身體驗「熱力學」的世界！前陣子我在大學的熱力學課堂上做了這個實驗，連大人都忍不住發出「哇！」的驚嘆聲。今天就來介紹這個神奇的「橡膠與熱」的關係。
科學食譜（用氣球感受溫度變化）
材料：氣球一顆（便利商店或雜貨店買的就夠了！）
先從最簡單的方法開始試試看吧。
方法①（拉伸，再縮回）
① 將還沒充氣的氣球，放鬆地貼在臉頰上（或嘴唇等皮膚敏感的部位），先感受一下當下的溫度。
② 接著，保持貼著臉頰的狀態，用雙手用力把氣球「啵——」地往兩側拉伸。
③ 接著，繼續讓拉伸狀態的氣球貼著臉頰，慢慢放鬆力道，讓它「啪——」地縮回原狀。
結果：怎麼樣？拉伸的時候氣球變暖了，縮回去的時候則感覺變涼了，對吧！
感受更明顯！充氣版玩法
上面的方法已經很有趣，但如果想要更大的溫度變化感，推薦試試充氣的玩法。不妨借用家人或朋友的臉頰來感受看看！
方法②（充氣，再洩氣）
① 將還沒充氣的氣球貼在孩子或家人的臉頰上。
② 保持貼著臉頰的狀態，用力「呼——」地把氣球吹大。
③ 問問看，貼著充好氣的氣球的臉頰有什麼感覺。（應該會說「好暖喔！」）
④ 接下來，讓充好氣的氣球繼續貼著臉頰，慢慢把氣「咻——」地放掉。
⑤ 再問問看，氣球洩氣時臉頰的感覺如何。
結果：這次呢？充氣時感覺暖暖的，洩氣時卻涼到讓人嚇一跳！這個實驗真的很有衝擊感，一定要親自試試看。
為什麼？橡膠分子們的「擠擠樂」
兩種方法背後的原理其實是一樣的。實驗這麼簡單好玩，背後卻牽涉到高中物理等級的「熱力學」中「絕熱變化」的概念。不過，只要把自己想像成氣球裡的「橡膠分子」，就很容易理解了！
氣球的橡膠雖然看不見，但裡面其實有無數個「橡膠分子」像鏈條一樣串在一起，平時自由自在地扭來扭去（就是那個鬆鬆垮垮的狀態）。
拉伸時（為什麼會變暖？）
當我們用力把氣球「啵——」地拉開，原本自由活動的橡膠分子們就被迫「排隊站好」。這就好像「在大公園裡玩得正開心，突然被塞進一間小教室裡互相擠來擠去」。被擠得喘不過氣的分子們，把那股「壓力」和「運動能量」以「熱」的形式向外釋放——所以氣球就變暖了。
縮回時（為什麼會變涼？）
反過來，當我們放鬆力道，讓分子們從整齊排列的狀態解放出來，它們就像「終於自由了！」一樣，迫不及待地重新活蹦亂跳起來。為了重新活動，它們需要從周圍吸收能量（熱），而這個熱來自哪裡呢？——就是緊貼著氣球的我們的「臉頰」。臉頰的熱被奪走，當然就感覺「好涼！」了。
參考：【KEKエッセイ #29】チコちゃんは知っていた！ゴムはなぜ元に戻るのか https://www.kek.jp/ja/topics/20200715-2
這個現象叫做「高夫—焦耳效應」
「快速拉伸橡膠會變暖、縮回去會變涼」這個現象有個正式名稱：1805年由高夫（Gough）發現，後來由焦耳（Joule）深入研究，因此稱為「高夫—焦耳效應」（Gough-Joule Effect）。
橡膠的聚合物鏈在自然狀態下是隨機纏繞的（熵值高的狀態）。
拉伸時：強迫聚合物鏈整齊排列（熵值降低），此時施加的「功」以能量形式釋放出來，產生熱。
縮回時：鏈條回到雜亂的狀態，從周圍吸收能量，因此變涼。
金屬彈簧的彈力來自「原子間的電磁引力」，幾乎不受溫度影響。而橡膠的彈性力來自「趨向最大熵的統計力」，溫度越高，縮回的力量反而越強——這正是橡膠彈性最大的特色。
另外，NGKサイエンスサイト「ゴムの不思議な性質」https://site.ngk.co.jp/lab/no261/ 介紹了加熱或冷卻橡膠的實驗。加熱後橡膠竟然會縮短，真是令人驚訝的現象。
橡膠被拉伸時，分子只能維持伸展的不自由狀態；一旦縮回，分子就能自由地變換形態。一般來說，物質在溫度升高時會趨向更高自由度的狀態，因此加熱拉伸中的橡膠，它就會縮回去。
「親身感受」是踏入科學的第一步
科學的世界裡常常有這樣的情況：現象本身超級有趣，但背後的原理解釋起來卻有點燒腦。不過，先讓身體感受到「咦？」「好奇怪喔！」的那個瞬間，才是愛上科學最好的起點。
一顆氣球，就能串起熱力學、熵、甚至未來冷卻技術的話題——這就是科學最迷人的地方。想看用熱像儀（Thermography）觀察的實驗影片，請點這裡：
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