Kompresibilitas: padatan, cairan, gas, contoh

Kompresibilitas suatu zat atau bahan adalah perubahan volume yang sehingga mengalami ketika mengalami perubahan dalam tekanan. Secara umum, volume berkurang ketika tekanan diterapkan pada sistem atau objek. Namun, terkadang terjadi sebaliknya: perubahan tekanan dapat menghasilkan ledakan di mana sistem bertambah volumenya, atau ketika terjadi perubahan fasa.

Dalam beberapa reaksi kimia hal ini dapat terjadi dan juga dalam gas, karena dengan meningkatnya frekuensi tumbukan, gaya tolak menolak.

Sebuah kapal selam mengalami gaya tekan ketika tenggelam. Sumber: pixabay.com.

Saat membayangkan betapa mudah atau sulitnya memampatkan suatu benda, pertimbangkan tiga keadaan yang biasanya ada dalam materi : padat, cair, dan gas. Di masing-masing dari mereka molekul menjaga jarak tertentu dari satu sama lain. Semakin kuat ikatan yang menghubungkan molekul-molekul zat yang membentuk benda dan semakin dekat, akan semakin sulit untuk menyebabkan deformasi.

Padatan memiliki molekul yang sangat berdekatan, dan ketika mencoba mendekatkan mereka, gaya tolak muncul yang membuat tugas menjadi sulit. Untuk alasan ini dikatakan bahwa padatan tidak terlalu kompresibel. Dalam molekul zat cair terdapat lebih banyak ruang, sehingga kompresibilitasnya lebih besar, tetapi meskipun demikian perubahan volume biasanya membutuhkan gaya yang besar.

Jadi padatan dan cairan hampir tidak dapat dimampatkan. Dibutuhkan variasi tekanan yang sangat besar untuk mencapai perubahan volume yang cukup besar di bawah apa yang disebut kondisi tekanan dan suhu normal. Di sisi lain, gas, karena molekulnya memiliki jarak yang luas, mudah dikompresi dan didekompresi.

Kompresibilitas padat

Ketika sebuah benda dicelupkan ke dalam zat cair misalnya, benda itu memberikan tekanan pada benda itu ke segala arah. Dengan cara ini kita dapat berpikir bahwa volume benda akan berkurang, meskipun dalam banyak kasus ini tidak terlalu berarti.

Situasi tersebut dapat dilihat pada gambar berikut:

Gaya yang diberikan oleh fluida pada benda yang terendam tegak lurus terhadap permukaan. Sumber: Wikimedia Commons.

Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, yang akan menyebabkan perubahan volume V sebanding dengan volume awal benda V o . Perubahan volume ini akan tergantung pada kualitasnya.

Hooke ‘s hukum menyatakan bahwa strain yang dialami oleh suatu benda sebanding dengan gaya yang diberikan untuk itu:

Stres Tegangan

Deformasi volumetrik yang dialami oleh suatu benda dikuantifikasi oleh B konstanta proporsionalitas yang diperlukan, yang disebut modulus volumetrik material :

B = -Tegangan / Regangan

B = -ΔP / (ΔV / V o )

Karena V / V o adalah besaran tak berdimensi, karena merupakan hasil bagi antara dua volume, modul volumetrik memiliki satuan tekanan yang sama, yang dalam Sistem Internasional adalah Pascal (Pa).

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

– Kompresibilitas suatu bahan

Nilai kebalikan atau kebalikan dari modulus volumetrik dikenal sebagai kompresibilitas dan dilambangkan dengan huruf k. Karena itu:

Di sini k adalah negatif dari perubahan fraksional volume per peningkatan tekanan. Satuannya dalam Sistem Internasional adalah kebalikan dari Pa, yaitu m 2 / N.

Persamaan untuk B atau untuk k jika Anda lebih suka, berlaku baik untuk padatan maupun cairan. Konsep modulus volumetrik jarang diterapkan pada gas. Model sederhana untuk mengukur penurunan volume yang dapat dialami oleh gas nyata dijelaskan di bawah ini.

Kecepatan suara dan modulus kompresibilitas

Kegunaan yang menarik adalah kecepatan suara dalam suatu medium, yang bergantung pada modulus kompresibilitasnya:

Soal latihan-contoh

-Soal latihan 1

Sebuah bola kuningan padat yang volumenya adalah 0,8 m 3 dijatuhkan ke laut untuk kedalaman di mana tekanan hidrostatik adalah 20 M Pa lebih besar dari di permukaan. Bagaimana volume bola berubah? Modulus kompresibilitas kuningan diketahui B = 35.000 MPa,

Penyelesaian

1 M Pa = 1 Mega pascal = 1. 10 6 Pa

Variasi tekanan terhadap permukaan adalah DP = 20 x 10 6 Pa. Menerapkan persamaan yang diberikan untuk B, kita memiliki:

B = -ΔP / (ΔV / V o )

Karena itu:

V = -5.71.10 -4 x 0,8 m 3 = -4,57 x 10 -4 m 3

Perbedaan volume dapat memiliki tanda negatif ketika volume akhir lebih kecil dari volume awal, oleh karena itu hasil ini sesuai dengan semua asumsi yang telah kita buat sejauh ini.

Modulus kompresibilitas yang sangat tinggi menunjukkan bahwa diperlukan perubahan tekanan yang besar agar benda mengalami penurunan volume yang cukup besar.

-Soal latihan 2

Dengan menempelkan telinga Anda ke rel kereta api, Anda dapat mengetahui kapan salah satu kendaraan ini mendekat di kejauhan. Berapa lama waktu yang dibutuhkan suara untuk merambat pada rel baja jika kereta api berjarak 1 km?

Data

Berat jenis baja = 7,8 x 10 3 kg / m3

Modulus kompresibilitas baja = 2,0 x 10 11 Pa.

Penyelesaian

Modulus kompresibilitas B yang dihitung di atas berlaku untuk cairan juga, meskipun banyak usaha umumnya diperlukan untuk menghasilkan penurunan volume yang cukup besar. Tetapi cairan dapat mengembang atau mengerut saat memanas atau mendingin, dan sama jika diberi tekanan atau diberi tekanan.

Untuk air di bawah kondisi tekanan dan suhu standar (0 C dan tekanan satu atmosfer kira-kira atau 100 kPa), modulus volumetriknya adalah 2100 MPa. Artinya, sekitar 21.000 kali tekanan atmosfer.

Untuk alasan ini, di sebagian besar kegunaan, cairan sering dianggap tidak dapat dimampatkan. Ini dapat diverifikasi segera dengan kegunaan numerik.

-Soal latihan 3

Hitunglah penurunan fraksional dalam volume air ketika diberi tekanan 15 MPa.

Penyelesaian

Kompresibilitas dalam gas

Gas, seperti dijelaskan di atas, bekerja sedikit berbeda.

Untuk mengetahui volume n mol gas yang diberikan ketika dibatasi pada tekanan P dan suhu T, persamaan keadaan digunakan. Dalam persamaan keadaan untuk gas ideal, di mana gaya antarmolekul tidak diperhitungkan, model paling sederhana menunjukkan bahwa:

PV ideal = n. R. T

Dimana R adalah konstanta gas ideal.

Perubahan volume gas dapat dilakukan pada tekanan konstan atau suhu konstan. Misalnya, menjaga suhu konstan, kompresibilitas isotermal T adalah:

Alih-alih simbol “delta” yang digunakan sebelumnya ketika mendefinisikan konsep untuk padatan, untuk gas dijelaskan dengan turunan, dalam hal ini turunan parsial terhadap P, menjaga T konstan.

Oleh karena itu B T modulus kompresibilitas isotermal adalah:

Dan yang juga penting adalah modulus kompresibilitas adiabatik B adiabatik , dimana tidak ada aliran panas yang masuk atau keluar.

B adiabatik = p

Dimana adalah koefisien adiabatik. Dengan koefisien ini Anda dapat menghitung kecepatan suara di udara:

Dengan menerapkan persamaan di atas, carilah cepat rambat bunyi di udara.

Data

Modulus kompresibilitas adiabatik udara adalah 1,42 × 10 5 Pa

Massa jenis udara adalah 1.225 kg / m 3 (pada tekanan atmosfer dan 15 C)

Penyelesaian

Alih-alih bekerja dengan modulus kompresibilitas, sebagai unit perubahan volume per perubahan tekanan, faktor kompresibilitas gas nyata dapat menarik, konsep yang berbeda tetapi ilustratif tentang bagaimana gas nyata dibandingkan dengan gas ideal:

P. V nyata = ZR T

Dimana Z adalah koefisien kompresibilitas gas, yang tergantung pada kondisi di mana ia ditemukan, yang umumnya merupakan fungsi dari tekanan P dan suhu T, dan dapat dinyatakan sebagai:

Z = f (P, T)

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

Ketika tekanan meningkat, molekul gas bertabrakan lebih sering dan gaya tolak antara mereka meningkat. Hal ini dapat menyebabkan peningkatan volume dalam gas nyata, dimana Z> 1.

Sebaliknya, pada tekanan yang lebih rendah, molekul bebas bergerak dan gaya tarik mendominasi. Dalam hal ini, Z <1.

Untuk kasus sederhana 1 mol gas n = 1, jika kondisi tekanan dan suhu yang sama dipertahankan, dengan membagi suku persamaan sebelumnya dengan suku, kita memperoleh:

V nyata = ZV ideal

-Soal latihan 5

Ada gas nyata pada 250 K dan tekanan 15 atm, yang memiliki volume molar 12% lebih kecil dari yang dihitung oleh persamaan keadaan gas ideal. Jika tekanan dan suhu dijaga tetap, tentukan:

a) Faktor kompresibilitas.

b. Volume mol gas nyata

c) Jenis gaya apa yang mendominasi: gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak?

Penyelesaian

a) Jika volume aktual lebih kecil 12% dari volume ideal, berarti:

V nyata = 0,88 V ideal

Oleh karena itu untuk 1 mol gas, faktor kompresibilitasnya adalah:

Z = 0,88

b) Memilih konstanta gas ideal dengan satuan yang sesuai untuk data yang diberikan:

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

Volume molar dihitung dengan memecahkan dan mensubstitusi nilai:

c) Gaya tarik menarik mendominasi, karena Z kurang dari 1.

Referensi

  1. Atkins, P. 2008. Kimia Fisik. Editorial Medica Panamericana. 10 – 15.
  2. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Kegunaan. 6 th . Ed Prentice Hall. 242 – 243 dan 314-15
  3. Mott, R. 2006. Mekanika Fluida. Pendidikan Pearson 13-14.
  4. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pendidikan Pearson. 242-243.
  5. Tipler, P. (2006) Fisika untuk Sains dan Teknologi. Edisi ke-5 Volume 1. Editorial Reverté. 542.

Related Posts