Che cos'è il modulo di massa?
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Il modulo di massa è una costante che descrive la resistenza di una sostanza alla compressione. È definito come il rapporto tra aumento di pressione e la conseguente riduzione del volume di un materiale. Insieme al modulo di Young, al modulo di taglio e alla legge di Hooke, il modulo di massa descrive la risposta di un materiale allo stress o alla tensione.
Di solito, il modulo di massa è indicato da K o B in equazioni e tabelle. Mentre si applica alla compressione uniforme di qualsiasi sostanza, viene spesso utilizzato per descrivere il comportamento dei fluidi. Può essere usato per prevedere la compressione, calcolare la densità e indicare indirettamente i tipi di legame chimico all'interno di una sostanza. Il modulo di massa è considerato un descrittore di proprietà elastiche perché un materiale compresso ritorna al suo volume originale una volta rilasciata la pressione.
Le unità per il modulo di massa sono Pascal (Pa) o Newton per metro quadrato (N / m2) nel sistema metrico o in libbre per pollice quadrato (PSI) nel sistema inglese.
Tabella dei valori del modulo in blocco fluido (K)
Esistono valori di modulo di massa per solidi (ad esempio 160 GPa per acciaio; 443 GPa per diamante; 50 MPa per elio solido) e gas (ad esempio 101 kPa per aria a temperatura costante), ma le tabelle più comuni elencano i valori per liquidi. Ecco valori rappresentativi, sia in inglese che in unità metriche:
| Unità inglesi (105 PSI) | Unità SI (109 Papà) | |
|---|---|---|
| Acetone | 1.34 | 0.92 |
| Benzene | 1.5 | 1.05 |
| Tetracloruro di carbonio | 1.91 | 1.32 |
| Alcol etilico | 1.54 | 1.06 |
| Benzina | 1.9 | 1.3 |
| Glicerina | 6.31 | 4.35 |
| Olio minerale ISO 32 | 2.6 | 1.8 |
| Cherosene | 1.9 | 1.3 |
| Mercurio | 41.4 | 28.5 |
| Olio di paraffina | 2.41 | 1,66 |
| Benzina | 1.55 - 2.16 | 1,07 - 1,49 |
| Estere fosfato | 4.4 | 3 |
| Olio SAE 30 | 2.2 | 1.5 |
| L'acqua di mare | 3.39 | 2.34 |
| Acido solforico | 4.3 | 3.0 |
| acqua | 3.12 | 2.15 |
| Acqua - Glicole | 5 | 3.4 |
| Acqua - Emulsione di olio | 3.3 | 2.3 |
Il K il valore varia, a seconda dello stato della materia di un campione e, in alcuni casi, della temperatura. Nei liquidi, la quantità di gas disciolto influisce notevolmente sul valore. Un alto valore di K indica che un materiale resiste alla compressione, mentre un valore basso indica che il volume diminuisce sensibilmente a pressione uniforme. Il reciproco del modulo di massa è la compressibilità, quindi una sostanza con un modulo di massa ridotta ha un'elevata compressibilità.
Dopo aver esaminato la tabella, puoi vedere che il mercurio del metallo liquido è quasi incomprimibile. Ciò riflette l'ampio raggio atomico degli atomi di mercurio rispetto agli atomi nei composti organici e anche l'imballaggio degli atomi. A causa del legame idrogeno, l'acqua resiste anche alla compressione.
Formule di moduli sfusi
Il modulo di massa di un materiale può essere misurato mediante diffrazione di polvere, usando raggi X, neutroni o elettroni che prendono di mira un campione in polvere o microcristallino. Può essere calcolato usando la formula:
Modulo di massa (K) = Sollecitazione volumetrica / deformazione volumetrica
Ciò equivale a dire che equivale alla variazione di pressione divisa per la variazione di volume divisa per il volume iniziale:
Modulo di massa (K) = (p1 - p0) / [(V1 - V0) / V0]
Qui, p0 e V0 sono la pressione e il volume iniziali, rispettivamente, e p1 e V1 sono la pressione e il volume misurati al momento della compressione.
L'elasticità del modulo in serie può anche essere espressa in termini di pressione e densità:
K = (p1 - p0) / [(ρ1 - ρ0) / ρ0]
Qui, ρ0 e ρ1 sono i valori di densità iniziale e finale.
Esempio di calcolo
Il modulo di massa può essere utilizzato per calcolare la pressione idrostatica e la densità di un liquido. Ad esempio, considera l'acqua di mare nel punto più profondo dell'oceano, la Fossa delle Marianne. La base della trincea è 10994 m sotto il livello del mare.
La pressione idrostatica nella Fossa delle Marianne può essere calcolata come:
p1 = ρ * g * h
Dove p1 è la pressione, ρ è la densità dell'acqua di mare a livello del mare, g è l'accelerazione di gravità e h è l'altezza (o profondità) della colonna d'acqua.
p1 = (1022 kg / m3) (9,81 m / s2) (10994 m)
p1 = 110 x 106 Pa o 110 MPa
Conoscere la pressione a livello del mare è 105 Pa, la densità dell'acqua sul fondo della trincea può essere calcolata:
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 Papà)
ρ1 = 1070 kg / m3
Cosa puoi vedere da questo? Nonostante l'immensa pressione sull'acqua sul fondo della Fossa delle Marianne, non è molto compressa!
fonti
- De Jong, Maarten; Chen, Wei (2015). "Rappresentazione delle proprietà elastiche complete dei composti cristallini inorganici". Dati scientifici. 2: 150009. doi: 10.1038 / sdata.2015.9
- Gilman, J.J. (1969). Micromeccanica del flusso nei solidi. New York: McGraw-Hill.
- Kittel, Charles (2005). Introduzione alla fisica dello stato solido (8a edizione). ISBN 0-471-41526-X.
- Thomas, Courtney H. (2013). Comportamento meccanico dei materiali (2a edizione). Nuova Delhi: McGraw Hill Education (India). ISBN 1259027511.
