MAMPATAN: PEPEJAL, CECAIR, GAS, CONTOH - FIZIKAL - 2026

The kebolehmampatan sesuatu bahan atau material adalah perubahan dalam jumlah yang ia mengalami apabila ia tertakluk kepada perubahan dalam tekanan. Secara umum, volume menurun ketika tekanan diterapkan pada sistem atau objek. Walau bagaimanapun, kadang-kadang sebaliknya berlaku: perubahan tekanan dapat menghasilkan letupan di mana sistem meningkat dalam jumlah, atau ketika perubahan fasa terjadi.

Dalam beberapa reaksi kimia ini dapat terjadi dan gas juga, kerana dengan kekerapan pertembungan yang semakin meningkat, daya tolakan berlaku.

Sebuah kapal selam mengalami daya mampatan semasa tenggelam. Sumber: pixabay.com.

Ketika membayangkan betapa mudah atau sukarnya memampatkan objek, pertimbangkan tiga keadaan yang penting ialah: pepejal, cair, dan gas. Di masing-masing molekul menjaga jarak tertentu antara satu sama lain. Semakin kuat ikatan yang mengikat molekul bahan yang membentuk objek dan semakin dekat, semakin sukar untuk menyebabkan ubah bentuk.

Suatu pepejal mempunyai molekul-molekulnya sangat dekat, dan ketika berusaha mendekatkannya, daya tolakan muncul yang menyukarkan tugas. Oleh itu dikatakan bahawa pepejal tidak boleh dimampatkan. Dalam molekul cecair terdapat lebih banyak ruang, sehingga kebolehmampatannya lebih besar, tetapi walaupun demikian, perubahan isipadu biasanya memerlukan daya yang besar.

Jadi pepejal dan cecair sukar dimampatkan. Variasi tekanan yang sangat besar diperlukan untuk mencapai perubahan isipadu yang cukup besar dalam keadaan tekanan dan suhu biasa. Sebaliknya, gas, kerana molekulnya jaraknya luas, mudah dimampatkan dan dinyahkompresi.

Mampatan pepejal

Apabila objek direndam dalam cairan misalnya, ia memberikan tekanan pada objek ke semua arah. Dengan cara ini kita dapat berfikir bahawa volume objek akan berkurang, walaupun dalam kebanyakan kes ini tidak akan dapat dicapai.

Situasi dapat dilihat pada gambar berikut:

Daya yang diberikan oleh bendalir pada objek terendam adalah tegak lurus ke permukaan. Sumber: Wikimedia Commons.

Tekanan didefinisikan sebagai kekuatan per unit luas, yang akan menyebabkan perubahan isipadu ΔV sebanding dengan volume awal objek V _o . Perubahan jumlah ini akan bergantung pada kualiti.

Hukum Hooke menyatakan bahawa ubah bentuk yang dialami oleh suatu objek adalah sebanding dengan tekanan yang dikenakan kepadanya:

Tekanan ∝ Ketegangan

Deformasi volumetrik yang dialami oleh badan diukur oleh B pemalar pemalar yang diperlukan, yang disebut modulus volumetrik bahan:

B = -Tekanan / Ketegangan

B = -ΔP / (ΔV / V _o )

Oleh kerana ΔV / V _o adalah kuantiti tanpa dimensi, kerana itu adalah hasil bagi dua jilid, modul volumetrik memiliki unit tekanan yang sama, yang dalam Sistem Internasional adalah Pascals (Pa).

Tanda negatif menunjukkan pengurangan volume yang diharapkan, ketika objek cukup dikompresi, yaitu tekanan meningkat.

-Kompresi bahan

Nilai terbalik atau timbal balik dari modulus volumetrik dikenali sebagai kebolehmampatan dan dilambangkan dengan huruf k. Oleh itu:

Di sini k adalah negatif dari perubahan pecahan isipadu per kenaikan tekanan. Unitnya dalam Sistem Antarabangsa adalah kebalikan dari Pa, iaitu, m ² / N.

Persamaan untuk B atau untuk k jika anda mahu, berlaku untuk kedua-dua pepejal dan cecair. Konsep modulus volumetrik jarang diterapkan pada gas. Model ringkas dijelaskan di bawah untuk mengukur penurunan jumlah yang dapat dialami oleh gas asli.

Kelajuan suara dan modulus kebolehmampatan

Aplikasi yang menarik adalah kelajuan suara dalam medium, yang bergantung pada modulus kebolehmampatannya:

Latihan-contoh yang diselesaikan

-Latihan senaman 1

Lapisan tembaga pepejal yang isipadu 0,8 m ³ dijatuhkan ke laut ke kedalaman di mana tekanan hidrostatik 20 M Pa lebih besar daripada di permukaan. Bagaimana kelantangan sfera akan berubah? Telah diketahui bahawa modulus kebolehmampatan tembaga adalah B = 35,000 MPa,

Penyelesaian

1 M Pa = 1 Mega pascal = 1. 10 ⁶ Pa

Variasi tekanan berkenaan dengan permukaan adalah DP = 20 x 10 ⁶ Pa. Dengan menggunakan persamaan yang diberikan untuk B, kami mempunyai:

B = -ΔP / (ΔV / V _o )

Oleh itu:

ΔV = -5.71.10 ^-4 x 0.8 m ³ = -4.57 x 10 ^-4 m ³

Perbezaan kelantangan boleh mempunyai tanda negatif apabila jumlah akhir kurang dari volume awal, oleh itu hasil ini sesuai dengan semua andaian yang telah kita buat sejauh ini.

Modulus pemampatan yang tinggi menunjukkan bahawa perubahan tekanan yang besar diperlukan agar objek mengalami penurunan volume yang cukup besar.

-Latihan senaman 2

Dengan meletakkan telinga anda di landasan kereta api, anda dapat mengetahui kapan salah satu kenderaan ini mendekat. Berapa lama masa yang diperlukan untuk bunyi di rel besi jika kereta api berada sejauh 1 km?

Data

Ketumpatan keluli = 7.8 x 10 ³ kg / m3

Modulus kebolehmampatan keluli = 2.0 x 10 ¹¹ Pa.

Penyelesaian

Modulus kebolehmampatan B yang dihitung di atas juga berlaku untuk cairan, walaupun pada umumnya diperlukan banyak usaha untuk menghasilkan penurunan jumlah yang cukup besar. Tetapi cecair boleh mengembang atau menguncup ketika mereka memanaskan atau menyejuk, dan sama jika mereka mengalami tekanan atau tekanan.

Untuk air dalam keadaan tekanan dan suhu standard (0 ° C dan tekanan satu atmosfera kira-kira atau 100 kPa), modulus volumetrik adalah 2100 MPa. Iaitu tekanan atmosfera sekitar 21,000 kali.

Atas sebab ini, dalam kebanyakan aplikasi, cecair biasanya dianggap tidak dapat dimampatkan. Ini dapat disahkan segera dengan aplikasi berangka.

-Senam bersenam 3

Cari penurunan pecahan dalam jumlah air apabila mengalami tekanan 15 MPa.

Penyelesaian

Mampatan dalam gas

Gas, seperti yang dijelaskan di atas, berfungsi sedikit berbeza.

Untuk mengetahui apa isipadu n mol gas yang diberikan ketika ia tetap terbatas pada tekanan P dan suhu T, kami menggunakan persamaan keadaan. Dalam persamaan keadaan untuk gas ideal, di mana daya antara molekul tidak diambil kira, model termudah menyatakan bahawa:

PV yang _ideal = n. R. T

Di mana R adalah pemalar gas yang ideal.

Perubahan jumlah gas boleh berlaku pada tekanan berterusan atau suhu tetap. Sebagai contoh, menjaga suhu tetap, kebolehmampatan isotermal Κ _T adalah:

Sebagai ganti simbol "delta" yang digunakan sebelumnya ketika mendefinisikan konsep untuk pepejal, untuk gas dijelaskan dengan derivatif, dalam hal ini terbitan separa berkenaan dengan P, menjaga T tetap.

Oleh itu, B _T modulus pemampatan isotermal adalah:

Modulus pemampatan _adiabatik B juga penting , yang mana tidak ada aliran haba yang masuk atau keluar.

B _adiabatik = γp

Di mana γ adalah pekali adiabatik. Dengan pekali ini, anda dapat mengira kelajuan bunyi di udara:

Dengan menggunakan persamaan di atas, cari kelajuan bunyi di udara.

Data

Modulus kebolehmampatan udara adalah 1.42 × 10 ⁵ Pa

Ketumpatan udara adalah 1,225 kg / m ³ (pada tekanan atmosfera dan 15 ºC)

Penyelesaian

Daripada bekerja dengan modulus kebolehmampatan, sebagai perubahan jumlah unit setiap perubahan tekanan, faktor pemampatan gas nyata boleh menjadi menarik, konsep yang berbeza tetapi menggambarkan tentang bagaimana gas sebenar membandingkan dengan gas yang ideal:

Di mana Z adalah pekali kebolehmampatan gas, yang bergantung pada keadaan di mana ia dijumpai, secara amnya merupakan fungsi dari tekanan P dan suhu T, dan dapat dinyatakan sebagai:

Z = f (P, T)

Sekiranya gas ideal Z = 1. Untuk gas nyata nilai Z hampir selalu meningkat dengan tekanan dan menurun dengan suhu.

Apabila tekanan meningkat, molekul gas bertabrakan lebih kerap dan daya tolakan di antara mereka meningkat. Ini boleh menyebabkan peningkatan jumlah gas sebenar, di mana Z> 1.

Sebaliknya, pada tekanan yang lebih rendah, molekul bebas bergerak dan daya tarikan mendominasi. Dalam kes ini, Z <1.

Untuk kes sederhana 1 mol gas n = 1, jika keadaan tekanan dan suhu yang sama dipertahankan, dengan membahagikan istilah persamaan sebelumnya dengan istilah, kita memperoleh:

-Latihan bersenam 5

Terdapat gas nyata pada tekanan 250 ºK dan 15 atm, yang mempunyai isipadu molar 12% lebih rendah daripada yang dikira oleh persamaan gas ideal. Sekiranya tekanan dan suhu tetap berterusan, cari:

a) Faktor kebolehmampatan.

b) Isipadu molar gas sebenar.

c) Jenis kekuatan apa yang dikuasai: menarik atau menjijikkan?

Penyelesaian

a) Sekiranya jumlah sebenar 12% kurang daripada yang ideal, ini bermaksud:

V _nyata = 0.88 V _ideal

Oleh itu, untuk 1 mol gas, faktor pemampatan adalah:

Z = 0.88

b) Memilih pemalar gas yang ideal dengan unit yang sesuai untuk data yang dibekalkan:

R = 0.082 L.atm / mol.K

Isipadu molar dikira dengan menyelesaikan dan menggantikan nilai:

c) Kekuatan menarik mendominasi, kerana Z kurang dari 1.

Rujukan

1. Atkins, P. 2008. Kimia Fizikal. Editorial Médica Panamericana. 10 - 15.
2. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. 6 ^th . Dewan Ed Prentice. 242 - 243 dan 314-15
3. Mott, R. 2006. Mekanik Bendalir. Pendidikan Pearson. 13-14.
4. Rex, A. 2011. Asas Fizik. Pendidikan Pearson. 242-243.
5. Tipler, P. (2006) Fizik untuk Sains dan Teknologi. Edisi Ke-5 Jilid 1. Reverté Editorial. 542.