Wat is bulkmodulus?
Definitie, formules, voorbeelden
De bulkmodulus is een maat voor hoe onsamendrukbaar een materiaal is. Piotr Marcinski / EyeEm / Getty Images
De bulkmodulus is a constante het beschrijft hoe bestand een stof is tegen samendrukking. Het is gedefinieerd als de verhouding tussen druk toename en de resulterende afname van een materiaal volume . Samen met Young's modulus , de afschuifmodulus , en de wet van Hooke , de bulkmodulus beschrijft de reactie van een materiaal op stress of deformatie .
Meestal wordt de bulkmodulus aangegeven door 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, dichtheid berekenen , en geven indirect de . aan soorten chemische bindingen binnen een stof. 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: Pascal (Pa) of Newton per vierkante meter (N/mtwee) in het metrieke stelsel, of pond per vierkante inch (PSI) in het Engelse systeem.
Tabel met waarden voor vloeistofbulkmodulus (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 bevatten waarden voor vloeistoffen. Hier zijn representatieve waarden, in zowel Engelse als metrische eenheden:
| Engelse eenheden ( 105 PSI) | SI eenheden ( 109 goed) | |
|---|---|---|
| Aceton | 1.34 | 0,92 |
| benzeen | 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 | 23 |
De K waarde varieert, afhankelijk van de stand van zaken van een monster, en in sommige gevallen op 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.
Bij het bekijken van de tabel kunt u de vloeibaar metaal kwik is bijna niet samendrukbaar. Dit weerspiegelt de grote atomaire straal van kwikatomen in vergelijking met atomen in organische verbindingen en ook de pakking van de atomen. Door waterstofbinding is water ook bestand tegen compressie.
Bulkmodulusformules
De bulkmodulus van een materiaal kan worden gemeten door poederdiffractie, met behulp van röntgenstralen, neutronen of elektronen die gericht zijn 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 initiële volume:
Bulk modulus ( K ) = (p1- p0) / [(IN1- IN0) / IN0]
Hier, p0en V0zijn respectievelijk de initiële druk en het volume, en p1en V1 zijn de druk en het volume gemeten bij compressie.
De elasticiteit van de bulkmodulus kan ook worden uitgedrukt in termen van druk en dichtheid:
K = (p1- p0) / [(r1- r0) / r0]
Hier,0en1zijn de begin- en einddichtheidswaarden.
Voorbeeldberekening
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 Marianentrog. De basis van de greppel ligt 10994 m onder zeeniveau.
De hydrostatische druk in de Marianentrog kan worden berekend als:
p1= ρ*g*h
waar p1is 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/stwee)(10994 m)
p1= 110 x 106Bij of 110 MPa
Weten dat de druk op zeeniveau 10 . is5Pa, de dichtheid van het water op de bodem van de greppel kan worden berekend:
r1= [(p1- p)ρ + K*ρ) / K
r1= [[(110 x 106Pa) - (1 x 105Pa)] (1022 kg/m3)] + (2,34 x 109Pa) (1022 kg/m3)/(2,34 x 109goed)
r1= 1070 kg/m3
Wat kun je hiervan zien? Ondanks de enorme druk op het water op de bodem van de Marianentrog, wordt het niet erg samengedrukt!
bronnen
- De Jong, Maarten; Chen, Wei (2015). 'De volledige elastische eigenschappen van anorganische kristallijne verbindingen in kaart brengen'. 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). Inleiding tot de vaste-stoffysica (8e editie). ISBN 0-471-41526-X.
- Thomas, Courtney H. (2013). Mechanisch gedrag van materialen (2e editie). New Delhi: McGraw Hill Onderwijs (India). ISBN 1259027511 .