قابلية الانضغاط: المواد الصلبة والسوائل والغازات والأمثلة - جسدي - بدني - 2025

و الانضغاطية من مادة أو مواد هي التغيير في وحدة التخزين التي كان يواجه عندما يتعرض لتغير في الضغط. بشكل عام ، ينخفض ​​الحجم عند الضغط على نظام أو كائن. ومع ذلك ، يحدث العكس في بعض الأحيان: يمكن أن يؤدي التغيير في الضغط إلى انفجار يزيد فيه النظام في الحجم ، أو عندما يحدث تغيير في الطور.

يمكن أن يحدث هذا في بعض التفاعلات الكيميائية وفي الغازات أيضًا ، لأنه مع زيادة تكرار الاصطدامات ، تحدث قوى التنافر.

تتعرض غواصة لقوى ضغط أثناء غمرها. المصدر: pixabay.com.

عند تخيل مدى سهولة أو صعوبة ضغط شيء ما ، ضع في اعتبارك الحالات الثلاث التي تكون فيها المادة عادةً: الصلبة والسائلة والغازية. في كل منها تحافظ الجزيئات على مسافات معينة من بعضها البعض. كلما كانت الروابط التي تربط جزيئات المادة التي يتكون منها الجسم أقوى وكلما اقتربت ، كلما كان من الصعب إحداث تشوه.

المادة الصلبة لها جزيئاتها قريبة جدًا من بعضها البعض ، وعند محاولة التقريب بينها ، تظهر قوى التنافر التي تجعل المهمة صعبة. لذلك يقال أن المواد الصلبة ليست شديدة الانضغاط. يوجد مساحة أكبر في جزيئات السوائل ، وبالتالي تكون قابلية انضغاطها أكبر ، ولكن مع ذلك ، يتطلب التغيير في الحجم عادةً قوى كبيرة.

لذلك فإن المواد الصلبة والسوائل يصعب ضغطها. سيكون هناك حاجة إلى تغيير كبير في الضغط لتحقيق تغيير ملموس في الحجم تحت ما يسمى بظروف الضغط ودرجة الحرارة العادية. من ناحية أخرى ، فإن الغازات ، نظرًا لأن جزيئاتها متباعدة على نطاق واسع ، يمكن ضغطها وفك ضغطها بسهولة.

انضغاطية صلبة

عند غمر جسم ما في سائل على سبيل المثال ، فإنه يمارس ضغطًا على الجسم في جميع الاتجاهات. بهذه الطريقة يمكننا أن نعتقد أن حجم الكائن سينخفض ​​، على الرغم من أن هذا لن يكون ملحوظًا في معظم الحالات.

يمكن رؤية الوضع في الشكل التالي:

القوة التي يبذلها السائل على الجسم المغمور عمودية على السطح. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

يُعرَّف الضغط بأنه القوة لكل وحدة مساحة ، والتي ستؤدي إلى تغيير في الحجم propV يتناسب مع الحجم الأولي للجسم V _o. هذا التغيير في الحجم سيعتمد على صفاته.

ينص قانون هوك على أن التشوه الذي يعاني منه شيء ما يتناسب مع الضغط المطبق عليه:

إجهاد ∝ إجهاد

يتم قياس التشوه الحجمي الذي يعاني منه الجسم بواسطة B ثابت التناسب المطلوب ، والذي يسمى المعامل الحجمي للمادة:

ب = - الإجهاد / السلالة

ب = -P / (ΔV / V _o)

نظرًا لأن ΔV / V _o هي كمية بلا أبعاد ، نظرًا لأنها الحاصل بين مجلدين ، فإن الوحدة الحجمية لها نفس وحدات الضغط ، والتي في النظام الدولي هي Pascals (Pa).

تشير العلامة السالبة إلى الانخفاض المتوقع في الحجم ، عندما يتم ضغط الكائن بدرجة كافية ، أي يزداد الضغط.

- انضغاط المادة

تُعرف القيمة العكسية أو المتبادلة للمعامل الحجمي باسم الانضغاط ويُشار إليها بالحرف k. هكذا:

هنا k هو سالب التغير الجزئي في الحجم لكل زيادة في الضغط. وحداته في النظام الدولي هي مقلوب Pa ، أي م ² / ن.

تنطبق معادلة B أو k إذا كنت تفضل ذلك على كل من المواد الصلبة والسائلة. نادرًا ما يتم تطبيق مفهوم المعامل الحجمي على الغازات. يتم شرح نموذج بسيط أدناه لتحديد انخفاض الحجم الذي يمكن أن يتعرض له الغاز الحقيقي.

سرعة الصوت ومعامل الانضغاطية

أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام هو سرعة الصوت في الوسط ، والذي يعتمد على معامل الانضغاط الخاص به:

تمارين حل الامثلة

- تمرين حل 1

يتم إسقاط كرة نحاسية صلبة حجمها 0.8 م ³ في المحيط إلى عمق يكون فيه الضغط الهيدروستاتيكي أكبر بمقدار 20 ميجا باسكال منه على السطح. كيف سيتغير حجم الكرة؟ من المعروف أن معامل انضغاط النحاس هو B = 35000 ميجا باسكال ،

المحلول

1 ميجا باسكال = 1 ميجا باسكال = 1. 10 ⁶ باسكال

تغير الضغط فيما يتعلق بالسطح هو DP = 20 x 10 ⁶ Pa. بتطبيق المعادلة المعطاة لـ B ، لدينا:

ب = -P / (ΔV / V _o)

هكذا:

ΔV = -5.71.10 ^-4 × 0.8 م ³ = -4.57 × 10 ^-4 م ³

يمكن أن يكون لاختلاف الحجم إشارة سلبية عندما يكون الحجم النهائي أقل من الحجم الأولي ، وبالتالي فإن هذه النتيجة تتفق مع جميع الافتراضات التي وضعناها حتى الآن.

يشير معامل الانضغاط المرتفع جدًا إلى أن التغيير الكبير في الضغط مطلوب حتى يتعرض الجسم لانخفاض ملحوظ في الحجم.

- تمرين حل 2

من خلال وضع أذنك على مسارات السكك الحديدية ، يمكنك معرفة متى تقترب إحدى هذه المركبات من مسافة بعيدة. كم من الوقت يستغرق الصوت للانتقال على سكة حديدية إذا كان القطار على بعد كيلومتر واحد؟

البيانات

كثافة الصلب = 7.8 × 10 ³ كجم / م 3

معامل انضغاط الصلب = 2.0 × 10 ¹¹ باسكال.

المحلول

ينطبق معامل الانضغاطية B المحسوب أعلاه على السوائل أيضًا ، على الرغم من الحاجة إلى بذل قدر كبير من الجهد بشكل عام لإنتاج انخفاض ملحوظ في الحجم. لكن السوائل يمكن أن تتمدد أو تنكمش عند تسخينها أو تبريدها ، وبشكل متساوٍ إذا كانت منخفضة الضغط أو مضغوطة.

بالنسبة للمياه في ظل الظروف القياسية للضغط ودرجة الحرارة (0 درجة مئوية وضغط جوي واحد تقريبًا أو 100 كيلو باسكال) ، يكون المعامل الحجمي 2100 ميجا باسكال. أي حوالي 21000 مرة من الضغط الجوي.

لهذا السبب ، في معظم التطبيقات ، تعتبر السوائل عادة غير قابلة للضغط. يمكن التحقق من ذلك على الفور من خلال التطبيق العددي.

- تمرين حل 3

أوجد النقص الجزئي في حجم الماء عندما يتعرض لضغط قدره 15 ميجا باسكال.

المحلول

الانضغاطية في الغازات

الغازات ، كما هو موضح أعلاه ، تعمل بشكل مختلف قليلاً.

لمعرفة حجم n مولات من غاز معين عندما يظل محصورًا في ضغط P ودرجة حرارة T ، نستخدم معادلة الحالة. في معادلة الحالة للغاز المثالي ، حيث لا تؤخذ القوى الجزيئية في الاعتبار ، ينص أبسط نموذج على ما يلي:

_مثالية PV = n. R. T

حيث R هو ثابت الغاز المثالي.

يمكن أن تحدث التغييرات في حجم الغاز عند ضغط ثابت أو درجة حرارة ثابتة. على سبيل المثال ، مع الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة ، فإن الانضغاطية متساوي الحرارة Κ _T هي:

بدلاً من الرمز "دلتا" الذي تم استخدامه سابقًا عند تعريف مفهوم المواد الصلبة ، بالنسبة للغاز يتم وصفه بمشتق ، في هذه الحالة مشتق جزئي فيما يتعلق بـ P ، مع الحفاظ على T ثابت.

لذلك B _T معامل الانضغاط متساوي الحرارة هو:

وأيضًا يعد معامل الانضغاط _الثابت ثابت الحرارة B مهمًا ، حيث لا يوجد تدفق حراري وارد أو صادر.

ب ثابت _{الحرارة} = γp

أين γ هو معامل ثابت الحرارة. باستخدام هذا المعامل ، يمكنك حساب سرعة الصوت في الهواء:

بتطبيق المعادلة أعلاه ، أوجد سرعة الصوت في الهواء.

البيانات

معامل انضغاط الهواء الأديباتي هو 1.42 × 10 ⁵ باسكال

كثافة الهواء 1،225 كجم / م ³ (عند الضغط الجوي و 15 درجة مئوية)

المحلول

بدلاً من العمل مع معامل الانضغاط ، كتغيير حجم الوحدة لكل تغيير في الضغط ، يمكن أن يكون عامل الانضغاط للغاز الحقيقي مثيرًا للاهتمام ، وهو مفهوم مختلف ولكنه توضيحي حول كيفية مقارنة الغاز الحقيقي بالغاز المثالي:

حيث Z هو معامل انضغاط الغاز ، والذي يعتمد على الظروف التي يوجد فيها ، ويكون عمومًا دالة لكل من الضغط P ودرجة الحرارة T ، ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

Z = f (P، T)

في حالة الغاز المثالي Z = 1. بالنسبة للغازات الحقيقية ، تزداد قيمة Z دائمًا مع الضغط وتنخفض مع درجة الحرارة.

كلما زاد الضغط ، تتصادم الجزيئات الغازية بشكل متكرر وتزداد قوى التنافر بينها. يمكن أن يؤدي هذا إلى زيادة حجم الغاز الحقيقي ، حيث أن Z> 1.

في المقابل ، عند الضغط المنخفض ، تكون الجزيئات حرة في الحركة وتسود قوى الجذب. في هذه الحالة ، Z <1.

بالنسبة للحالة البسيطة المتمثلة في 1 مول من الغاز n = 1 ، إذا تم الحفاظ على نفس ظروف الضغط ودرجة الحرارة ، بقسمة مصطلح المعادلات السابقة على المصطلح ، نحصل على:

- تمرين حل 5

يوجد غاز حقيقي عند ضغط 250 K و 15 ضغط جوي ، والذي يكون حجمه المولي أقل بنسبة 12٪ من ذلك المحسوب بواسطة معادلة الغاز المثالية للحالة. إذا ظل الضغط ودرجة الحرارة ثابتتين ، فابحث عن:

أ) عامل الانضغاطية.

ب) الحجم المولي للغاز الحقيقي.

ج) ما هي أنواع القوى السائدة: جذابة أم مثيرة للاشمئزاز؟

المحلول

أ) إذا كان الحجم الحقيقي أقل بنسبة 12٪ من الحجم المثالي ، فهذا يعني أن:

V _حقيقي = 0.88 فولت _مثالي

لذلك ، بالنسبة لمول واحد من الغاز ، يكون عامل الانضغاط هو:

Z = 0.88

ب) اختيار ثابت الغاز المثالي بالوحدات المناسبة للبيانات المزودة:

ص = 0.082 لتر / مول ك

يتم حساب الحجم المولي عن طريق حل القيم واستبدالها:

ج) تسود قوى الجذب ، حيث أن Z أقل من 1.

المراجع

1. أتكينز ، ص 2008. الكيمياء الفيزيائية. افتتاحية Médica Panamericana. 10-15.
2. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. 6 ^عشر. إد برنتيس هول. 242 - 243 و 314 - 15
3. موت ، ر. 2006. ميكانيكا الموائع. تعليم بيرسون.13-14.
4. ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. تعليم بيرسون. 242-243.
5. تيبلر ، ب. (2006) فيزياء العلوم والتكنولوجيا. الطبعة الخامسة المجلد 1. عودة الافتتاحية. 542.