KOMPRESIBILITAS: PADATAN, CAIRAN, GAS, CONTOH - FISIK - 2025

The kompresibilitas suatu zat atau bahan adalah perubahan volume sehingga mengalami ketika mengalami perubahan dalam tekanan. Secara umum, volume berkurang saat tekanan diterapkan pada sistem atau benda. Namun, terkadang yang terjadi sebaliknya: perubahan tekanan dapat menghasilkan ledakan di mana sistem meningkatkan volume, atau ketika terjadi perubahan fasa.

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

Sebuah kapal selam mengalami gaya kompresi saat terendam. Sumber: pixabay.com.

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

Benda padat memiliki molekul yang sangat berdekatan, dan ketika mencoba mendekatkannya, gaya tolak muncul yang membuat tugas menjadi sulit. Oleh karena itu dikatakan bahwa padatan tidak dapat dimampatkan. Dalam molekul cairan terdapat lebih banyak ruang, sehingga kompresibilitasnya lebih besar, namun demikian, perubahan volume biasanya membutuhkan gaya yang besar.

Jadi zat padat dan cairan hampir tidak dapat dimampatkan. Variasi tekanan yang sangat besar diperlukan untuk mencapai perubahan volume yang cukup besar dalam kondisi tekanan dan suhu normal. Di sisi lain, gas, karena jarak molekulnya yang lebar, mudah dikompresi dan didekompresi.

Kompresibilitas yang solid

Misalnya, ketika suatu benda dibenamkan ke dalam fluida, ia memberikan tekanan pada benda tersebut ke segala arah. Dengan cara ini kita dapat berpikir bahwa volume benda akan berkurang, walaupun dalam banyak kasus hal ini tidak akan berarti.

Situasinya dapat dilihat pada gambar berikut:

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

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

Hukum Hooke menyatakan bahwa deformasi yang dialami suatu benda sebanding dengan tegangan yang diberikan padanya:

Stres ∝ Ketegangan

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

B = -Stress / Strain

B = -ΔP / (ΔV / V _o )

Karena ΔV / 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 Pascals (Pa).

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

-Kompresibilitas material

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

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

Persamaan untuk B atau untuk k jika Anda mau, berlaku untuk padatan dan cairan. Konsep modulus volumetrik jarang diterapkan pada gas. Sebuah model sederhana dijelaskan di bawah ini untuk mengukur penurunan volume yang dapat dialami oleh gas nyata.

Kecepatan suara dan modulus kompresibilitas

Aplikasi yang menarik adalah kecepatan suara dalam media, yang bergantung pada modulus kompresibilitasnya:

Contoh latihan soal

-Latihan terselesaikan 1

Sebuah bola kuningan padat yang volumenya 0,8 m ³ dijatuhkan ke laut sampai kedalaman di mana tekanan hidrostatisnya 20 M Pa lebih besar daripada di permukaan. Bagaimana volume bola akan berubah? Diketahui bahwa modulus kompresibilitas kuningan adalah B = 35.000 MPa,

Larutan

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 mendapatkan:

B = -ΔP / (ΔV / V _o )

Jadi:

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

Perbedaan volume dapat bertanda negatif jika volume akhir lebih kecil dari volume awal, oleh karena itu hasil ini sesuai dengan semua asumsi yang telah kami buat selama ini.

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

-Latihan terselesaikan 2

Dengan menempelkan telinga ke rel kereta api, Anda dapat mengetahui saat salah satu kendaraan ini mendekat dari kejauhan. Berapa lama waktu yang dibutuhkan suara untuk berjalan di atas rel baja jika jarak kereta 1 km?

Data

Kerapatan baja = 7,8 x 10 ³ kg / m3

Modulus kompresibilitas baja = 2.0 x 10 ¹¹ Pa.

Larutan

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

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

Karena alasan ini, dalam sebagian besar aplikasi, cairan biasanya dianggap tidak dapat dimampatkan. Ini dapat segera diverifikasi dengan aplikasi numerik.

-Latihan terselesaikan 3

Tentukan penurunan fraksional volume air saat terkena tekanan 15 MPa.

Larutan

Kompresibilitas dalam gas

Gas, seperti yang dijelaskan di atas, bekerja sedikit berbeda.

Untuk mengetahui berapa volume n mol gas tertentu jika gas tersebut tetap dibatasi pada tekanan P dan suhu T, kita menggunakan persamaan keadaan. Dalam persamaan keadaan untuk gas ideal, di mana gaya antarmolekul tidak diperhitungkan, model paling sederhana menyatakan bahwa:

PV _ideal = n. R. T

Dimana R adalah konstanta gas ideal.

Perubahan volume gas dapat terjadi pada tekanan konstan atau suhu konstan. Misalnya, menjaga suhu tetap konstan, kompresibilitas isotermal Κ _T adalah:

Alih-alih simbol "delta" yang digunakan sebelumnya saat mendefinisikan konsep padatan, untuk gas dijelaskan dengan turunan, dalam hal ini turunan parsial sehubungan dengan P, menjaga T konstan.

Oleh karena itu B _T modulus kompresibilitas isotermal adalah:

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

B _adiabatik = γp

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

Dengan menerapkan persamaan di atas, temukan kecepatan suara di udara.

Data

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

Massa jenis udara adalah 1.225 kg / m ³ (pada tekanan atmosfir dan 15 ºC)

Larutan

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

Dengan Z adalah koefisien kompresibilitas gas, yang bergantung pada kondisi di mana ia ditemukan, secara umum 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 seiring suhu.

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

Sebaliknya, pada tekanan 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 tetap sama, dengan membagi suku persamaan sebelumnya dengan suku, kita memperoleh:

-Latihan terselesaikan 5

Terdapat gas nyata pada 250 ºK dan tekanan 15 atm, yang memiliki volume molar 12% lebih kecil dari yang dihitung dengan persamaan gas ideal. Jika tekanan dan suhu tetap konstan, cari:

a) Faktor kompresibilitas.

b) Volume molar dari gas nyata.

c) Jenis gaya apa yang mendominasi: menarik atau menjijikkan?

Larutan

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

V _real = 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 disediakan:

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

Volume molar dihitung dengan memecahkan dan mengganti nilai:

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

Referensi

1. Atkins, P. 2008. Kimia Fisik. Editorial Médica Panamericana. 10 - 15.
2. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 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. Pembalikan Editorial. 542.