Wat is bulkmodulus?
Share
De bulkmodulus is een constante en beschrijft hoe bestand een stof is tegen compressie. Het wordt gedefinieerd als de verhouding tussen drukverhoging en de resulterende vermindering van het volume van een materiaal. Samen met Young's modulus, de afschuifmodulus en de wet van Hooke, beschrijft de bulkmodulus de reactie van een materiaal op spanning of spanning.
Gewoonlijk wordt de bulkmodulus aangegeven met K of B in vergelijkingen en tabellen. Hoewel het van toepassing is op uniforme compressie van elke stof, wordt het meestal gebruikt om het gedrag van vloeistoffen te beschrijven. Het kan worden gebruikt om compressie te voorspellen, de dichtheid te berekenen en indirect de soorten chemische binding binnen een stof aan te geven. De bulkmodulus wordt beschouwd als een descriptor van elastische eigenschappen omdat een samengeperst materiaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke volume zodra de druk wordt opgeheven.
De eenheden voor de bulkmodulus zijn Pascals (Pa) of newton per vierkante meter (N / m2) in het metrische systeem, of pond per vierkante inch (PSI) in het Engelse systeem.
Tabel met waarden van de vloeistofmodule (K)
Er zijn bulkmoduluswaarden voor vaste stoffen (bijv. 160 GPa voor staal; 443 GPa voor diamant; 50 MPa voor vast helium) en gassen (bijv. 101 kPa voor lucht bij constante temperatuur), maar de meest voorkomende tabellen vermelden waarden voor vloeistoffen. Hier zijn representatieve waarden, in zowel Engelse als metrische eenheden:
| Engelse eenheden (105 PSI) | SI eenheden (109 Vader) | |
|---|---|---|
| Aceton | 1.34 | 0.92 |
| benzine | 1.5 | 1.05 |
| Koolstoftetrachloride | 1.91 | 1.32 |
| Ethylalcohol | 1.54 | 1.06 |
| Benzine | 1.9 | 1.3 |
| Glycerine | 6.31 | 4.35 |
| ISO 32 minerale olie | 2.6 | 1.8 |
| Kerosine | 1.9 | 1.3 |
| Kwik | 41.4 | 28.5 |
| Petroleum | 2.41 | 1,66 |
| Benzine | 1,55 - 2,16 | 1,07 - 1,49 |
| Fosfaatester | 4.4 | 3 |
| SAE 30 Olie | 2.2 | 1.5 |
| zeewater | 3.39 | 2.34 |
| Zwavelzuur | 4.3 | 3.0 |
| Water | 3.12 | 2.15 |
| Water - Glycol | 5 | 3.4 |
| Water - olie-emulsie | 3.3 | 2.3 |
De K waarde varieert, afhankelijk van de toestand van een monster en in sommige gevallen van de temperatuur. In vloeistoffen heeft de hoeveelheid opgelost gas een grote invloed op de waarde. Een hoge waarde van K geeft aan dat een materiaal bestand is tegen compressie, terwijl een lage waarde aangeeft dat het volume aanzienlijk afneemt onder uniforme druk. Het omgekeerde van de bulkmodulus is samendrukbaarheid, dus een stof met een lage bulkmodulus heeft een hoge samendrukbaarheid.
Als je de tabel bekijkt, zie je dat het kwik van vloeibaar metaal bijna niet samendrukbaar is. Dit weerspiegelt de grote atoomstraal van kwikatomen vergeleken met atomen in organische verbindingen en ook de pakking van de atomen. Vanwege waterstofbruggen is water ook bestand tegen compressie.
Formules voor bulkmodulus
De bulkmodulus van een materiaal kan worden gemeten door poederdiffractie, met behulp van röntgenstralen, neutronen of elektronen gericht op een poedervormig of microkristallijn monster. Het kan worden berekend met behulp van de formule:
Bulk modulus (K) = Volumetrische spanning / Volumetrische spanning
Dit is hetzelfde als zeggen dat het gelijk is aan de verandering in druk gedeeld door de verandering in volume gedeeld door het oorspronkelijke volume:
Bulk modulus (K) = (p1 - p0) / [(V1 - V0) / V0]
Hier, p0 en V0 zijn respectievelijk de initiële druk en het volume, en p1 en VI zijn de druk en het volume gemeten bij compressie.
Bulkmoduluselasticiteit kan ook worden uitgedrukt in termen van druk en dichtheid:
K = (p1 - p0) / [(ρ1 - ρ0) / ρ0]
Hier, ρ0 en ρ1 zijn de begin- en einddichtheidswaarden.
Voorbeeld berekening
De bulkmodulus kan worden gebruikt om de hydrostatische druk en dichtheid van een vloeistof te berekenen. Denk bijvoorbeeld aan zeewater in het diepste punt van de oceaan, de Mariana Trench. De basis van de geul ligt 10994 m onder zeeniveau.
De hydrostatische druk in de Mariana Trench kan worden berekend als:
p1 = ρ * g * h
Waar p1 is de druk, ρ is de dichtheid van zeewater op zeeniveau, g is de versnelling van de zwaartekracht en h is de hoogte (of diepte) van de waterkolom.
p1 = (1022 kg / m3) (9,81 m / s2) (10994 m)
p1 = 110 x 106 Pa of 110 MPa
De druk op zeeniveau kennen is 105 Pa, de dichtheid van het water op de bodem van de geul kan worden berekend:
ρ1 = [(p1 - p) ρ + K * ρ) / K
ρ1 = [[(110 x 106 Pa) - (1 x 105 Pa)] (1022 kg / m3)] + (2,34 x 109 Pa) (1022 kg / m3) / (2,34 x 109 Vader)
ρ1 = 1070 kg / m3
Wat kun je hiervan zien? Ondanks de enorme druk op water op de bodem van de Mariana Trench, is het niet erg gecomprimeerd!
bronnen
- De Jong, Maarten; Chen, Wei (2015). "In kaart brengen van de volledige elastische eigenschappen van anorganische kristallijne verbindingen". Wetenschappelijke gegevens. 2: 150009. doi: 10.1038 / sdata.2015.9
- Gilman, J.J. (1969). Micromechanica van stroming in vaste stoffen. New York: McGraw-Hill.
- Kittel, Charles (2005). Introductie in Solid State Physics (8e editie). ISBN 0-471-41526-X.
- Thomas, Courtney H. (2013). Mechanisch gedrag van materialen (2e editie). New Delhi: McGraw Hill Education (India). ISBN 1259027511.
