Kompresibilitas adalah — pengertian, rumus, contoh

Kompresibilitas suatu bahan atau material adalah perubahan volume yang dialami saat mengalami perubahan tekanan. Volume umumnya berkurang ketika tekanan diterapkan ke suatu sistem atau objek. Namun, kadang-kadang terjadi sebaliknya: perubahan tekanan dapat menyebabkan ledakan di mana sistem meningkatkan volume, atau ketika perubahan fase terjadi.

Dalam beberapa reaksi kimia ini dapat terjadi dan dalam gas juga, karena ketika frekuensi tumbukan meningkat, gaya tolak terjadi.

Ketika membayangkan betapa mudah atau sulitnya mengompres suatu benda, seseorang harus mempertimbangkan tiga keadaan di mana materi normalnya adalah: padat, cair dan gas. Di masing-masing molekul menjaga jarak tertentu dari satu sama lain. Semakin erat ikatan yang mengikat molekul zat yang membentuk objek dan semakin dekat mereka, semakin sulit untuk menyebabkan deformasi.

Padatan memiliki molekulnya yang sangat dekat, dan ketika Anda mencoba mendekatkannya, gaya tolak muncul yang membuat pekerjaan menjadi sulit. Oleh karena itu padatan dikatakan kurang kompresif. Dalam molekul cair ada lebih banyak ruang, sehingga kompresibilitasnya lebih besar, tetapi meskipun demikian perubahan volume biasanya membutuhkan kekuatan besar.

Jadi padatan dan cairan hampir tidak bisa dikompres. Variasi tekanan yang sangat besar akan diperlukan untuk mencapai perubahan volume yang cukup besar di bawah kondisi tekanan dan suhu normal. Sebaliknya, gas-gas, karena molekul-molekulnya ditempatkan secara luas, mudah dikompresi dan didekompresi.

Kompresibilitas padatan

Ketika suatu benda direndam dalam fluida misalnya, ia memberikan tekanan pada benda ke segala arah. Dengan cara ini kita dapat berpikir bahwa volume benda akan berkurang, meskipun dalam kebanyakan kasus ini tidak akan terlihat.

Situasi dapat dilihat pada gambar berikut:

Gaya yang diberikan oleh fluida pada benda yang terendam tegak lurus terhadap permukaan.

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

Hukum Hooke menyatakan bahwa deformasi yang dialami oleh suatu benda sebanding dengan tekanan yang diterapkan padanya:

Usaha ∝ Deformasi

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

B = -ΔP / (ΔV / Vo)

Karena ΔV / Vo adalah besaran tanpa dimensi, karena itu adalah 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 benda cukup dikompresi, yaitu tekanan meningkat.

Kompresibilitas bahan

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

Di sini k adalah negatif dari perubahan fraksional volume karena peningkatan tekanan. Satuannya dalam Sistem Internasional adalah kebalikan dari Pa, yaitu, m2 / N.

Persamaan untuk B atau untuk k jika disukai berlaku untuk padatan dan cairan. Konsep modulus volumetrik jarang diterapkan pada gas. Model sederhana untuk mengukur penurunan volume yang dapat dialami gas nyata dijelaskan di bawah ini.

Kecepatan suara dan modul kompresibilitas

Aplikasi yang menarik adalah kecepatan suara dalam suatu media, yang tergantung pada modul kompresibilitasnya:

Contoh  soal

Bola kuningan padat yang volumenya 0,8 m3 dijatuhkan ke laut ke kedalaman di mana tekanan hidrostatik 20 M Pa lebih besar daripada di permukaan. Apa perubahan yang akan terjadi pada volume bola? Modulus kompresibilitas kuningan dikenal sebagai B = 35.000 MPa,

Larutan

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

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

B = -ΔP / (ΔV / Vo)

Jadi:

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

Kompresibilitas gas

Gas, seperti dijelaskan di atas, bekerja sedikit berbeda.

Untuk mengetahui berapa volume n mol gas yang diberikan ketika tetap terbatas 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:

P.Videal = n. R. T

Di mana R adalah konstanta gas ideal.

Perubahan volume gas dapat dilakukan pada tekanan konstan atau pada suhu konstan. Sebagai contoh, dengan menjaga suhu konstan, kompresibilitas isotermal ΚT adalah:

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

Oleh karena itu BT modul kompresibilitas isotermal adalah:

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

Badiabatik = γp

Di mana γ adalah koefisien adiabatik. Dengan koefisien ini kecepatan suara di udara dapat dihitung:

C = √(Badiabatik / ρ)

Daripada bekerja dengan modul kompresibilitas, karena perubahan volume satuan per perubahan tekanan, faktor kompresibilitas gas nyata mungkin menarik, konsep yang berbeda namun ilustratif tentang bagaimana gas asli dibandingkan dengan gas ideal:

P. Vreal = Z. R. T

Di mana Z adalah koefisien kompresibilitas gas, yang tergantung pada kondisi di mana ia ditemukan, umumnya merupakan fungsi dari kedua 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 di antara mereka meningkat. Ini dapat menyebabkan peningkatan volume gas nyata, di mana Z> 1.

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

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

Vreal = Z Videal



Leave a Reply