Stlačiteľnosť tuhých látok, kvapalín, plynov, príkladov

Ten stlačenie látky alebo materiálu je zmena objemu, ktorú prežíva, keď podlieha zmene tlaku. Zvyčajne sa objem znižuje pri používaní tlaku na systém alebo objekt. Niekedy sa však objaví opak: zmena tlaku môže spôsobiť výbuch, v ktorom systém zvyšuje objem alebo keď dôjde k zmene fázy.

V niektorých chemických reakciách sa to môže stať a tiež v plynoch, pretože zvýšením frekvencie kolízií sa odvádzajú odpudivé sily.

Podmorský prežíva kompresné sily, keď sú ponorené. Zdroj: Pixabay.com.

Predstavovaním si, aké ľahké alebo ťažké to môže byť komprimovať objekt, musíte zvážiť tri stavy, v ktorých je záležitosť normálne: pevná, tekutá a plynná. V každom z nich molekuly udržujú určité vzdialenosti od seba. Čím sú pevné odkazy, ktoré spájajú molekuly látky, ktoré tvoria objekt a bližšie sú, tým ťažšie bude spôsobiť deformáciu.

Pevná látka má svoje veľmi blízke molekuly a keď sa snažíte viac, objavia sa odpudzovacie sily, ktoré bránia úlohe. Preto sa hovorí, že tuhé látky sú nekomprimujúce. V tekutých molekulách je viac miesta, takže jeho stlačiteľnosť je väčšia, ale zmena objemu stále vyžaduje veľké sily.

Takže tuhé látky a tekutiny sú ťažko stlačiteľné. Na dosiahnutie značnej zmeny v takzvaných normálnych tlakových a teplotných podmienkach by bola potrebná veľmi veľká variácia tlaku. Na druhej strane, plyny, pretože majú veľmi rozmiestnené molekuly, sa ľahko stlačia a dekomprimujú.

[TOC]

Pevná stlačiteľnosť

Ak je objekt ponorený napríklad do tekutiny, vyvíja tlak na objekt vo všetkých smeroch. Týmto spôsobom si môžeme myslieť, že objem objektu sa zníži, aj keď vo väčšine prípadov to nebude značné.

Situácia je možné vidieť na nasledujúcom obrázku:

Sila vyvíjaná tekutinou na ponorenom objekte je kolmá na povrch. Zdroj: Wikimedia Commons.

Tlak je definovaný ako sila na jednotku plochy, ktorá spôsobí zmenu objemu ΔV úmerne k počiatočnému objemu objektu V_ani. Táto zmena objemu bude závisieť od ich vlastností.

Hookeov zákon uvádza, že deformácia, ktorú prežíva objekt, je úmerná úsilia, ktoré sa na ňu uplatňuje:

Úsilie ∝ deformácia

Objemová deformácia, ktorú prežíva telo objemový modul materiálu:

B = -seft/jednotná deformácia

Môže vám slúžiť: tepelné žiarenie: vlastnosti, príklady, aplikácie

B = -Ap/ (ΔV/ V_ani)

Ako ΔV/v_ani Je to bezrozmerné množstvo, pretože je to kvocient medzi dvoma zväzkami, objemový modul má rovnaké tlakové jednotky, ktoré v medzinárodnom systéme sú Pascal (PA).

Záporné znamenie označuje očakávané zníženie objemu, keď je objekt dostatočne stlačený, to znamená, že tlak sa zvyšuje.

-Stlačiteľnosť materiálu

Inverzná alebo recipročná hodnota objemového modulu je známa ako stlačenie A je označený textom klimatizovať. Preto:

Tu klimatizovať Je to negatívna zmena frakčnej zmeny objemu v dôsledku zvýšenia tlaku. Jej jednotky v medzinárodnom systéme sú inverziou PA, tj M² /N.

Rovnica pre b alebo k, ak je preferovaná, je použiteľná na tuhé látky aj kvapaliny. Koncept objemového modulu sa zriedka používa na plyny. Neskôr je vysvetlený jednoduchý model na kvantifikáciu objemu poklesu, ktorý môže zažiť skutočný plyn.

Rýchlosť zvuku a modul stlačiteľnosti

Zaujímavou aplikáciou je rýchlosť zvuku v médiu, ktorá závisí od jeho modulu stlačiteľnosti:

Kde C je rýchlosť zvuku, B je objemový modul a ρ je hustota média

Vyriešené cvičenia-vykladanie

-Cvičenie vyriešené 1

Pevná mosadzná guľa, ktorej objem je 0.8 m³ Klesá do oceánu do hĺbky, v ktorej je hydrostatický tlak o 20 m väčší ako na povrchu. Aká zmena zažije objem sféry? Je známe, že mosadzný modul stlačiteľnosti je B = 35 000 MPa,

Riešenie

1 m Pa = 1 mega Pascal = 1. 10 ⁶ Pav

Variácia tlaku vzhľadom na povrch je dp = 20 x 10 ⁶ Pav. Uplatnenie danej rovnice pre B máte:

B = -Ap/ (ΔV/ V_ani)

Preto:

Tak:

ΔV = -5.71.10 ^-4 x 0.8 m³ = -4.57 x 10^-4 m³

Rozdiel objemu môže mať negatívny znak, keď je konečný objem nižší ako pôvodný objem, preto tento výsledok súhlasí so všetkými predpokladmi, ktoré sme doteraz urobili.

Modul stlačiteľnosti tak vysoký naznačuje, že je potrebná veľká zmena tlaku, aby objekt zažil výrazný pokles objemu.

-Cvičenie vyriešené 2

Položiť ucho proti vlakom je známe, keď sa jedno z týchto vozidiel blíži v diaľke. Ako dlho trvá zvuk pri cestovaní cez oceľovú koľajnicu, ak je vlak vzdialený 1 km?

Môže vám slúžiť: ochrana lineárnej hybnosti: princíp, príklady, cvičenia.

Údaje

Hustota ocele = 7.8 x 10 ³ kg/m3

Modul oceľovej stlačiteľnosti = 2.0 x 10 ^jedenásť Pav.

Riešenie

Stlačiteľnosť tekutín

Vyššie uvedený modul stlačiteľnosti B vypočítaný sa tiež aplikuje na tekutiny, hoci na dosiahnutie značného poklesu objemu sa zvyčajne vyžaduje veľké úsilie. Ale tekutiny sa môžu rozširovať alebo sťahovať, keď sa zohrievajú alebo ochladzujú, a tiež ak sú odradené alebo pod tlakom.

Pre vodu v štandardných podmienkach tlaku a teploty (0 ° C a tlaková atmosféra približne alebo 100 kPa) je objemový modul 2100 MPa. To znamená asi 21000 -krát atmosférický tlak.

Preto sa vo väčšine aplikácií kvapaliny zvyčajne považujú za nestlačiteľné. Toto je možné vidieť okamžite s numerickou aplikáciou.

-Cvičenie vyriešené 3

Nájdite frakčné zníženie objemu vody, keď je vystavený tlaku 15 MPa.

Riešenie

Stlačiteľnosť v plynoch

Plyny, ako je vysvetlené vyššie, fungujú trochu inak.

Vedieť, aký objem majú n móly daného plynu, keď sa udržiavajú pri tlaku P A pri teplote Tón, Používa sa štátna rovnica. V štátnej rovnici pre ideálny plyn, kde sa nezohľadňujú intermolekulárne sily, najjednoduchší model naznačuje, že:

P.Vložka_ideálny = n. R. Tón

Kde r je konštanta ideálnych plynov.

Zmeny objemu plynu sa môžu vykonávať pri konštantnom tlaku alebo pri konštantnej teplote. Napríklad udržiavaním konštantnej teploty je izotermálna stlačiteľnosť κ_Tón je:

Namiesto symbolu „delta“, ktorý sa použil pred definovaním koncepcie tuhých látok, pre plyn, ktorý je opísaný s derivátom, v tomto prípade čiastočne odvodený v súvislosti s P, udržiavanie konštantnej t.

Preto B_Tón Izotermálny modul stlačiteľnosti je:

 B_Tón = p

A modul adiabatic BU -compressibility B je tiež dôležitý_adiabatický, Pre ktoré nedochádza k prichádzajúcemu alebo odchádzajúcemu tepelnému toku.

B_adiabatický = γp

Kde y je adiabatický koeficient. S týmto koeficientom môžete vypočítať rýchlosť zvuku vo vzduchu:

-Cvičenie vyriešené 4

Pri použití predchádzajúcej rovnice nájdite rýchlosť zvuku vo vzduchu.

Údaje

Modul adiabatického vzduchu je 1,42 × 10⁵ Pav

Hustota vzduchu je 1.225 kg/m³ (pri atmosférickom tlaku a 15 ° C)

Riešenie

Faktor stlačiteľnosti Z

Namiesto práce s modulom stlačiteľnosti, ako zmenu objemu jednotky v dôsledku zmeny tlaku, skutočný faktor stlačiteľnosti plynu, Iný, ale ilustratívny koncept o tom, ako sa skutočný plyn porovnáva s ideálnym plynom:

Môže vám slúžiť: zvlnená teória svetla: vysvetlenie, aplikácie, príklady

P . Vložka_reálny = Z. R. Tón

Kde z je svahu kompresibility plynu, ktorá závisí od podmienok, za ktorých je zvyčajne funkcia tlaku P a teploty T, je schopná vyjadriť sa ako:

Z = f (p, t)

V prípade ideálneho plynu z = 1. Pre skutočné plyny sa hodnota Z takmer vždy zvyšuje s tlakom a znižuje sa s teplotou.

Zvýšením tlaku sa častejšie zrážajú plynné molekuly a zvyšujú sa odpudivé sily medzi nimi. To môže viesť k zvýšeniu objemu skutočného plynu, takže z> 1.

Na druhej strane, do nižších tlakov sa molekuly môžu voľne pohybovať a prevládajú sily príťažlivosti. V tomto prípade z < 1.

V jednoduchom prípade 1 mol plynu n = 1, ak sa udržiavajú rovnaké podmienky tlaku a teploty, vydelením termínovaného termínu sa získajú predchádzajúce rovnice:

Dospelo sa k záveru, že:

Vložka_reálny = Z V_ideálny

-Cvičenie vyriešené 5

Existuje skutočný plyn pri 250 ° K a 15 atm tlaku, ktorý má molárny objem o 12 % nižší, ako je vypočítaný podľa stavu ideálnych plynov. Ak tlak a teplota zostávajú konštantné, nájdite:

a) Faktor stlačiteľnosti.

b) molárny objem skutočného plynu.

c) Aký druh síl prevládne: atraktívne alebo odporné?

Riešenie

a) Ak je skutočný objem o 12 % nižší ako ideál, znamená to, že:

Vložka_reálny = 0.88 V_ideálny

Preto pre 1 mol plynu je faktor stlačiteľnosti:

Z = 0.88

b) Výber konštanty ideálnych plynov s príslušnými jednotkami pre poskytnuté údaje:

R = 0,082 l.bankomat/mol.Klimatizovať

Molárny objem sa vypočíta vymazaním a výmenou hodnôt:

c) Atraktívne sily prevládajú, pretože Z je menšia ako 1.

Odkazy

1. Atkins, str. 2008. Fyzikálna chémia. PAN -AMERICKÝ ZDROJE. 10 - 15.
2. Giancoli, D.  2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6^th. Ed Prentice Hall. 242 - 243 a 314-15
3. Mott, r.  2006. Tekutina. Pearson Vzdelanie.13-14.
4. Rex, a. 2011. Základy fyziky. Pearson Vzdelanie. 242-243.
5. Tipler, P. (2006) Fyzika pre vedu a techniku. 5. vydanie. Zväzok 1. Redaktor sa vrátil. 542.