SUSPAUDŽIAMUMAS: KIETOS MEDŽIAGOS, SKYSČIAI, DUJOS, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Spūdumo medžiagos arba medžiagos yra tūrio pokytis, kad jis patiria, kai jis yra veikiamas smūgio slėgio pokyčiams. Apskritai tūris mažėja, kai sistemai ar objektui daromas slėgis. Tačiau kartais įvyksta atvirkščiai: pasikeitus slėgiui gali įvykti sprogimas, kurio metu sistemos tūris padidėja, arba kai pasikeičia fazė.

Kai kuriose cheminėse reakcijose tai gali įvykti ir dujose, nes vis dažniau susiduriant, vyksta atstumiančios jėgos.

Povandeninis laivas panardinant patiria suspaudimo jėgas. Šaltinis: pixabay.com.

Įsivaizduodami, kaip lengva ar sunku gali būti suspausti daiktą, pagalvokite apie tris paprastai svarbias būsenas: kietą, skystą ir dujinę. Kiekvienoje iš jų molekulės laikosi tam tikrų atstumų viena nuo kitos. Kuo stipresni ryšiai, kurie suriša daiktą sudarančios medžiagos molekules, ir kuo arčiau jie yra, tuo sunkiau bus deformuotis.

Kieta medžiaga yra labai arti savo molekulių, o bandant jas suartinti, atsiranda atstumiančios jėgos, kurios apsunkina užduotį. Todėl sakoma, kad kietosios medžiagos nėra labai gerai suspaudžiamos. Skysčių molekulėse yra daugiau vietos, todėl jų suspaudimas yra didesnis, tačiau net ir tūrio pokyčiams paprastai reikia didelių jėgų.

Taigi kietos medžiagos ir skysčiai sunkiai suspaudžiami. Norint pasiekti pastebimą tūrio pokytį vadinamosiomis normaliomis slėgio ir temperatūros sąlygomis, reikės labai didelių slėgio pokyčių. Kita vertus, dujos, kadangi jų molekulės yra plačiai išdėstytos, yra lengvai suspaudžiamos ir išspaudžiamos.

Tvirtas suspaudžiamumas

Pavyzdžiui, kai daiktas panardinamas į skystį, jis daro spaudimą daiktui į visas puses. Tokiu būdu galime manyti, kad objekto tūris sumažės, nors daugeliu atvejų tai nebus pastebima.

Padėtį galima pamatyti šiame paveiksle:

Jėga, kurią skystis veikia įmerktą objektą, yra statmena paviršiui. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Slėgis yra apibrėžiamas kaip jėga, tenkanti ploto vienetui, dėl kurios tūris pasikeis ΔV, proporcingas pradiniam objekto tūriui V _o . Šis tūrio pokytis priklausys nuo jo savybių.

Hoko įstatymas teigia, kad objekto patirta deformacija yra proporcinga jam patiriamai įtampai:

Stresas ∝ Padermė

Kūno patirta tūrinė deformacija yra apskaičiuojama pagal B reikiamą proporcingumo konstantą, kuri vadinama medžiagos tūrio moduliu:

B = -stresas / deformacija

B = -ΔP / (ΔV / V _o )

Kadangi ΔV / V _o yra be matmenų dydis, nes jis yra dviejų tūrių santykis, tūrinis modulis turi tuos pačius slėgio vienetus, kurie Tarptautinėje sistemoje yra Paskaliai (Pa).

Neigiamas ženklas rodo numatomą tūrio sumažėjimą, kai daiktas yra pakankamai suspaustas, ty padidėja slėgis.

- Medžiagos suspaudimas

Tūrinio modulio atvirkštinė arba abipusė vertė yra žinoma kaip suspaudžiamumas ir žymima raide k. Taigi:

K yra neigiamasis iš trupmeninio tūrio pokyčio, padidėjus slėgiui. Jos vienetai tarptautinėje sistemoje yra Pa inversijos, tai yra, m ² / N.

B arba k lygtis, jei norite, taikoma tiek kietosioms medžiagoms, tiek skysčiams. Dujoms tūrinio modulio koncepcija taikoma retai. Žemiau paaiškinamas paprastas modelis, norint įvertinti tūrio sumažėjimą, kurį gali patirti tikrosios dujos.

Garso greitis ir suspaudimo modulis

Įdomi programa yra garso sparta terpėje, priklausanti nuo jos suspaudimo modulio:

Išspręstos užduotys-pavyzdžiai

-Paspręstas 1 pratimas

Tvirta žalvario sfera, kurios tūris yra 0,8 m ³ , nuleidžiama į vandenyną iki gylio, kur hidrostatinis slėgis yra 20 M Pa didesnis nei paviršiuje. Kaip pasikeis sferos tūris? Yra žinoma, kad žalvario suspaudimo modulis yra B = 35 000 MPa,

Sprendimas

1 M Pa = 1 Mega pascal = 1. 10 ⁶ Pa

Slėgio pokytis paviršiaus atžvilgiu yra DP = 20 x 10 ⁶ Pa. Taikydami B lygtį, turime:

B = -ΔP / (ΔV / V _o )

Taigi:

ΔV = -5,71,10 ^-4 x 0,8 m ³ = -4,57 x 10 ^-4 m ³

Tūrio skirtumas gali turėti neigiamą ženklą, kai galutinis tūris yra mažesnis už pradinį tūrį, todėl šis rezultatas sutinka su visomis iki šiol padarytomis prielaidomis.

Labai didelis suspaudimo modulis rodo, kad norint patirti pastebimą tūrio sumažėjimą, reikalingas didelis slėgio pokytis.

-Paspręstas 2 pratimas

Padėję ausį prie geležinkelio bėgių, galite pasakyti, kada viena iš šių transporto priemonių artėja per atstumą. Kiek laiko kelionė plieniniu geležinkeliu užtrunka, jei traukinys yra 1 km atstumu?

Duomenys

Plieno tankis = 7,8 x 10 ³ kg / m3

Plieno suspaudimo modulis = 2,0 x 10 ¹¹ Pa.

Sprendimas

Aukščiau apskaičiuotas suspaudimo modulis B taip pat taikomas skysčiams, nors norint pastebimai sumažinti tūrį, paprastai reikia įdėti daug pastangų. Bet skysčiai gali išsiplėsti arba susitraukti, kai jie įkaista arba atvėsta, taip pat jei jie yra be slėgio ar slėgio.

Vandeniui standartinėmis slėgio ir temperatūros sąlygomis (0 ° C ir vieno atmosferos slėgis maždaug arba 100 kPa) tūrio modulis yra 2100 MPa. Tai yra, maždaug 21 000 kartų didesnis nei atmosferos slėgis.

Dėl šios priežasties daugeliu atvejų skysčiai paprastai laikomi nesuslėgtais. Tai galima nedelsiant patikrinti naudojant skaitmeninę programą.

-Paspręstas 3 pratimas

Raskite trupmeninį vandens tūrio sumažėjimą, kai jam daromas 15 MPa slėgis.

Sprendimas

Suspaudžiamumas dujose

Dujos, kaip paaiškinta aukščiau, veikia šiek tiek kitaip.

Norėdami sužinoti, kiek tūrio n molių tam tikros dujos turi, kai jos laikomos slėgiu P ir temperatūra T, naudojame būsenos lygtį. Idealių dujų būklės lygtyje, kai neatsižvelgiama į tarpmolekulines jėgas, paprasčiausias modelis nurodo:

_Idealus PV = n. R. T

Kur R yra ideali dujų konstanta.

Dujų tūrio pokyčiai gali vykti esant pastoviam slėgiui ar pastoviai temperatūrai. Pavyzdžiui, palaikant pastovią temperatūrą, izoterminis suspaudžiamumas Κ _T yra:

Vietoj simbolio „delta“, kuris anksčiau buvo naudojamas apibrėžiant kietųjų medžiagų sąvoką, dujoms jis apibūdinamas dariniu, šiuo atveju daliniu dariniu P atžvilgiu, palaikant T pastovų.

Todėl B _T izoterminio suspaudimo modulis yra:

Taip pat svarbus yra adiabatinis B _adiabatinis suspaudimo modulis , kuriam nėra gaunamo ar išeinančio šilumos srauto.

B _adiabatinis = γp

Kur γ yra adiabatinis koeficientas. Pagal šį koeficientą galite apskaičiuoti garso greitį ore:

Taikydami aukščiau pateiktą lygtį, suraskite garso greitį ore.

Duomenys

Adiabatinis oro suspaudimo modulis yra 1,42 × 10 ⁵ Pa

Oro tankis yra 1225 kg / m ³ (esant atmosferos slėgiui ir 15 ºC)

Sprendimas

Užuot dirbęs su suspaudimo moduliu, kaip vieneto tūrio pokyčiu keičiant slėgį, realių dujų suspaudimo koeficientas gali būti įdomus, skirtinga, bet paaiškinanti koncepcija, kaip tikrosios dujos palyginamos su idealiomis dujomis:

Kur Z yra dujų suspaudžiamumo koeficientas, kuris priklauso nuo sąlygų, kuriomis jis randamas, paprastai yra tiek slėgio P, tiek temperatūros T funkcija, ir gali būti išreikštas taip:

Z = f (P, T)

Idealių dujų atveju Z = 1. Realių dujų atveju Z vertė beveik visada didėja esant slėgiui ir mažėja esant temperatūrai.

Didėjant slėgiui, dujinės molekulės dažniau susiduria ir padidėja atstumiančios jėgos tarp jų. Dėl to gali padidėti tikrų dujų tūris, kai Z> 1.

Priešingai, esant žemesniam slėgiui, molekulės gali laisvai judėti ir vyrauja patrauklios jėgos. Tokiu atveju Z <1.

Paprastu atveju, kai 1 molio dujų n = 1, jei palaikomos vienodos slėgio ir temperatūros sąlygos, padalijus ankstesnę lygtį iš termino, gauname:

-Paspręstas 5 pratimas

Yra tikrosios dujos esant 250 ºK ir 15 atm slėgiui, kurių molinis tūris yra 12% mažesnis nei apskaičiuotas pagal idealiųjų dujų būklės lygtį. Jei slėgis ir temperatūra nesikeičia, raskite:

a) Suspaudžiamumo koeficientas.

b) realiųjų dujų molinis tūris.

c) Kokios jėgos vyrauja: patrauklios ar atstumiančios?

Sprendimas

a) Jei tikrasis tūris yra 12% mažesnis už idealų, tai reiškia, kad:

V _realus = 0,88 V _idealus

Todėl 1 moliui dujų suspaudimo koeficientas yra:

Z = 0,88

b) Idealios dujų konstantos pasirinkimas naudojant tinkamus vienetus pateiktiems duomenims:

R = 0,082 L.atm / mol.K

Molinis tūris apskaičiuojamas išskaičiavus ir pakeičiant reikšmes:

c) Vyrauja patraukliosios jėgos, nes Z yra mažesnė už 1.

Nuorodos

1. Atkins, P. 2008. Fizikinė chemija. Redakcija Médica Panamericana. 10 - 15 val.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6 ^-oji . Edas Prentice'o salė. 242 - 243 ir 314-15
3. Mott, R. 2006. Skysčių mechanika. „Pearson Education“ 13–14.
4. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. „Pearson Education“. 242–243.
5. Tipler, P. (2006) Fizika mokslui ir technologijai. 5-asis leidimas, 1 tomas. Redakcijos revertas. 542.