ПРИТИСАК: ЧВРСТЕ СУПСТАНЦЕ, ТЕЧНОСТИ, ГАСОВИ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Компресија супстанце или материјала је промена у обиму који доживљава када се подвргне промене у притиску. Опћенито, запремина се смањује када се притисак на систем или предмет примењује. Међутим, понекад се догађа супротно: промена притиска може произвести експлозију у којој се систем повећава у волумену или када се догоди фазна промена.

У неким се хемијским реакцијама то може догодити и у гасовима, јер са повећањем учесталости судара настају одбојне силе.

Подморница доживљава силе компресије док је потопљена. Извор: пикабаи.цом.

Замишљајући како је лако или тешко стиснути предмет, размотрите три стања у којима је материја нормално: чврсто, течно и гас. У сваком од њих молекули држе одређене удаљености један од другог. Што су јаче везе које везују молекуле супстанце која чине предмет и што су им ближе, то ће бити теже изазвати деформацију.

Чврста материја има своје молекуле врло близу, а када их покушате зближити, појављују се одбојне силе које отежавају задатак. Стога се каже да чврсте материје нису баш стисљиве. У молекулама течности има више простора, па је и њихова компресибилност већа, али чак и тако, промена запремине обично захтева велике силе.

Тако да су чврсте и течне течности тешко стисљиве. Да би се постигла значајна промена запремине у такозваним нормалним условима притиска и температуре потребно је веома велико подешавање притиска. С друге стране, гасови, пошто су њихови молекули широко распоређени, лако се компресују и декомпресују.

Чврста компресибилност

На пример, када је предмет уроњен у течност, он врши притисак на објекат у свим правцима. На овај начин можемо мислити да ће се волумен објекта смањити, мада у већини случајева то неће бити приметно.

Ситуација се може видети на следећој слици:

Сила коју течност делује на потопљени предмет је окомита на површину. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Притисак се дефинише као сила по јединици површине, што ће проузроковати промену запремине ΔВ пропорционалну почетној запремини објекта В _о . Ова промена волумена зависиће од његових квалитета.

Хоокеов закон каже да је деформација коју објект доживљава пропорционална напрезању на њега:

Стрес ∝ Напрезање

Волуметријска деформација коју тело доживе је квантификована Б потребном константом пропорционалности, која се назива волуметријски модул материјала:

Б = -страга / напрезање

Б = -ΔП / (ΔВ / В _о )

Пошто је ΔВ / В _о бездимензионална величина, будући да је квоцијент између две запремине, волуметријски модул има исте јединице притиска, које су у Међународном систему Паскали (Па).

Негативни знак указује на очекивано смањење запремине, када је објект довољно компримован, односно, притисак расте.

-Посложљивост материјала

Инверзна или реципрочна вредност волуметријског модула назива се стисљивост и означава се словом к. Тако:

Овде је к негативан фракциона промена запремине по повећању притиска. Његове јединице у Међународном систему су инверзи Па, то јест м ² / Н.

Једнаџба за Б или за к ако желите, је применљива и на чврсте и течне течности. Концепт волуметријског модула ретко се примењује на гасове. Нижи је објашњен једноставан модел за квантификацију смањења запремине коју може да доживи прави гас.

Брзина звука и модул стисљивости

Занимљива апликација је брзина звука у медијуму, која зависи од његовог модула компресибилности:

Решене вежбе-примери

-Решена вежба 1

Чврста месингана сфера чија је запремина 0,8 м ³ бачена је у океан до дубине где је хидростатски притисак 20 М Па већи него на површини. Како ће се променити обим сфере? Познато је да је модул стисљивости месинга Б = 35 000 МПа,

Решење

1 М Па = 1 Мега паскал = 1. 10 ⁶ Па

Варијација притиска у односу на површину је ДП = 20 к 10 ⁶ Па. Примењујући једначину дану за Б, имамо:

Б = -ΔП / (ΔВ / В _о )

Тако:

ΔВ = -5,71,10 ^-4 к 0,8 м ³ = -4,57 к 10 ^-4 м ³

Разлика запремине може имати негативан знак када је крајња запремина мања од почетне запремине, стога се овај резултат слаже са свим претпоставкама које смо направили до сада.

Врло висок модул стисљивости указује да је потребна велика промена притиска да би објект имао знатно смањење запремине.

-Решена вежба 2

Стављајући ухо на шине влака, можете рећи када се једно од ових возила приближава у даљини. Колико времена треба да се звуком путује челичном шином ако је воз удаљен 1 км?

Подаци

Густина челика = 7,8 к 10 ³ кг / м3

Модул стисљивости челика = 2,0 к 10 ¹¹ Па.

Решење

Горе израчунати модул стлачивости Б односи се и на течности, мада је за постизање значајног смањења запремине углавном потребно много напора. Али течности се могу проширити или скупити док се загревају или хладе, а једнако тако и ако су под притиском или под притиском.

За воду у стандардним условима притиска и температуре (0 ° Ц и једног атмосферског притиска приближно или 100 кПа), волуметријски модул износи 2100 МПа. То је, око 21.000 пута атмосферски притисак.

Из тог разлога се у већини примена течности обично сматрају нестисљивама. Ово се може одмах потврдити нумеричком апликацијом.

-Решена вежба 3

Пронађите фракцијско смањење запремине воде када је изложена притиску од 15 МПа.

Решење

Стисљивост у гасовима

Гасови, као што је објашњено горе, дјелују мало другачије.

Да бисмо сазнали колики волумен н молова датог гаса држи када је он ограничен на притисак П и температуру Т, користимо једнаџбу стања. У једначини стања идеалног гаса, где се не узимају међумолекулске силе, најједноставнији модел каже да:

_{Идеално} ПВ = н. Р. Т

Где је Р константа идеалног гаса.

Промене запремине гаса могу се дешавати при константном притиску или константној температури. На пример, одржавајући температуру константном, изотермална стисљивост Κ _Т је:

Уместо симбола „делта“ који је раније коришћен за дефинисање концепта за чврсте материје, за гас се описује дериватом, у овом случају делимичним дериватом у односу на П, одржавајући Т константним.

Због тога је Б _Т изотермални модул компресибилности:

Такође је важан и адиабатски Б _{адиабатски} модул компресије , за који не постоји долазни или одлазни топлотни ток.

Б _{адиабатско} = γп

Где је γ адијабатски коефицијент. Помоћу овог коефицијента можете израчунати брзину звука у ваздуху:

Примењујући горњу једнаџбу, пронађите брзину звука у ваздуху.

Подаци

Модул адијабатског стискања ваздуха је 1,42 × 10 ⁵ Па

Густина ваздуха је 1.225 кг / м ³ (при атмосферском притиску и 15 ° Ц)

Решење

Уместо да ради са модулом компресибилности, као промена запремине јединице по промени притиска, фактор стлачивости правог гаса може бити занимљив, другачији али илустративни концепт о томе како се стварни гас упоређује са идеалним гасом:

Где је З коефицијент компресије гаса, који зависи од услова у којима се налази, а који је углавном функција и притиска П и температуре Т, а може се изразити као:

З = ф (П, Т)

У случају идеалног гаса З = 1. За стварне гасове вредност З готово увек расте са притиском и опада са температуром.

Како се притисак повећава, гасовити молекули се чешће сударају и одбојне силе међу њима се повећавају. Ово може довести до повећања запремине реалног гаса, при чему З> 1.

Супротно томе, при нижим притисцима молекули се слободно крећу и привлачне силе преовлађују. У овом случају З <1.

За једноставан случај 1 мола гаса н = 1, ако се одржавају исти услови притиска и температуре, дељењем претходног једначења на термин, добијемо:

-Решена вежба 5

Постоји прави гас при 250 ºК и 15 атм притиска, који има моларни запремину 12% мањи од израчунатог изједначењем идеалног гаса. Ако притисак и температура остану стални, пронађите:

а) Фактор стисљивости.

б) Моларни волумен стварног гаса.

ц) Које врсте сила преовлађују: привлачне или одбојне?

Решење

а) Ако је стварна запремина 12% мања од идеалне, то значи да:

В _реално = 0,88 В _{идеално}

Због тога је за 1 мол гаса фактор стисљивости:

З = 0,88

б) Одабир константе идеалног гаса с одговарајућим јединицама за достављене податке:

Р = 0,082 Л.ат / мол.К

Моларни волумен се израчунава решавањем и заменом вредности:

ц) Преовлађују привлачне силе, пошто је З мањи од 1.

Референце

1. Аткинс, П. 2008. Физичка хемија. Уредништво Медица Панамерицана. 10 - 15.
2. Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. 6 ^-ог . Ед Прентице Халл. 242 - 243 и 314-15
3. Мотт, Р. 2006. Механика флуида. Пеарсон Едуцатион 13-14.
4. Рек, А. 2011. Основе физике. Пеарсон Едуцатион. 242-243.
5. Типлер, П. (2006) Физика за науку и технологију. 5. издање, свезак 1. Редакција. 542.