Analog zur Energieelastizität, mit der die elastische Verformung und die plastische Verformung von metallischen Werkstoffen erklärt werden kann, dient die Entropieelastizität zur Erklärung der Verformung von Polymerwerkstoffen bzw. Polymerschmelzen bei der thermoplastischen Verarbeitung.
Makromoleküle haben aus thermodynamischer Sicht das Bedürfnis, sich möglichst ungeordnet bzw. verknäuelt zu strukturieren.
Dieser Zustand der möglichst großen Unordnung ist der Zustand der größten Wahrscheinlichkeit und damit nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik auch der Zustand der größten Entropie.
Bei der technischen Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen, etwa dem Spritzgießen bzw. dem Extrudieren, werden Makromoleküle fallweise zwangsweise in einen Ordnungszustand gebracht (Parallellage und Streckung durch Spannung bzw. Strömung) und in diesem erzwungenen Ordnungszustand durch rasche Abkühlung des Bauteils quasi eingefroren. Dieser Ordnungszustand ist meist nicht der Zustand höchster Wahrscheinlichkeit / Entropie.
Erwärmt man nun das Bauteil wieder über den Glaspunkt und ermöglicht damit eine entsprechende Beweglichkeitszunahme der Atome und Molekularteile durch Überwindung von Sekundärkräften (Chemische Bindungen) zwischen den Makromolekülen, so geben diese dem Bestreben nach Verknäuelung nach und retardieren unter typischer Formänderung zunehmend in einen Verknäuelungszustand — also in einen Zustand hoher Unordnung bzw. höherer Wahrscheinlichkeit / Entropie. Diese Eigenschaft nennt man Entropieelastizität.
Die thermoplastischen Kunststoffe mit makromolekularem, amorphem Aufbau verhalten sich insofern auch im Festzustand bei (elastischer) Verformung meist völlig anders als etwa Metalle mit kristallinem Aufbau.
Unter äußerer Spannung (Zugspannung, Druckspannung, Scherung, etc.) ordnen sich die fadenförmigen Makromoleküle um, was einer Entropie- bzw. Ordnungsänderung entspricht, wobei die Entropie bei zunehmender Ordnung abnimmt (Beispiel: Recken von Polyamidfäden).
Bei Entlastung bzw. Erwärmung über den Glaspunkt geht der Zustand der erzwungenen Ordnung wieder in eine erhöhte Unordnung über (Entropie steigt wieder). Der Vorgang dieses Wechselspiels beruht ebenfalls auf dem Prinzip der Entropieelastizität.
Der Zusammenhang der Entropie mit der Energie ergibt sich aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik: H = G + TdS, mit H = Enthalpie, G = freie Enthalpie, T = Temperatur, dS = Entropieänderung, TdS = die gebundene Energie des Systems.
© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie
