体积模量是一个常数,它描述了物质的抗压能力。它被定义为压力增加与材料体积减少之间的比率。与杨氏模量、剪切模量和胡克定律一起,体积模量描述了材料对应力或应变的响应。
通常,体积模量在方程式和表格中用K或B表示。虽然它适用于任何物质的均匀压缩,但它最常用于描述流体的行为。它可以用来预测压缩,计算密度,并间接指示物质内部化学键的类型。体积模量被认为是弹性特性的描述,因为一旦压力释放,压缩材料就会恢复到其原始体积。
体积模量的单位为帕斯卡(Pa)或牛顿/平方米(N/m2)(公制),或磅/平方英寸(PSI)(英制)。
固体(例如,钢为160 GPa;金刚石为443 GPa;固体氦为50 MPa)和气体(例如,恒温空气为101 kPa)有体积模量值,但最常见的表格列出了液体的体积模量值。以下是以英制和公制单位表示的代表值:
English Units (105. PSI) | SI Units (109 Pa) | |
---|---|---|
丙酮 | 1.34 | 0.92 |
苯 | 1.5 | 1.05 |
四氯化碳 | 1.91 | 1.32 |
乙醇 | 1.54 | 1.06 |
汽油 | 1.9 | 1.3 |
甘油 | 6.31 | 4.35 |
ISO 32矿物油 | 2.6 | 1.8 |
煤油 | 1.9 | 1.3 |
水星 | 41.4 | 28.5 |
石蜡油 | 2.41 | 1.66 |
汽油 | 1.55 - 2.16 | 1.07 - 1.49 |
磷酸酯 | 4.4 | 3. |
SAE 30机油 | 2.2 | 1.5 |
海水 | 3.39 | 2.34 |
硫酸 | 4.3 | 3 |
水 | 3.12 | 2.15 |
水-乙二醇 | 5. | 3.4 |
水-油乳液 | 3.3 | 2.3 |
K值根据样品的物质状态以及某些情况下的温度而变化。在液体中,溶解气体的数量会极大地影响其价值。K的高值表示材料抵抗压缩,而低值表示在均匀压力下体积明显减小。体积模量的倒数是可压缩性,因此体积模量低的物质具有高压缩性。
查看表格后,你可以看到液态金属汞几乎是不可压缩的。这反映了与有机化合物中的原子相比,汞原子的大原子半径,以及原子的堆积。由于氢键作用,水也能抵抗压缩。
材料的体积模量可通过粉末衍射测量,使用x射线、中子或电子瞄准粉末或微晶样品。可使用以下公式计算:
体积模量(K)=体积应力/体积应变
这等于压力变化除以体积变化除以初始体积:
体积模量(K)=(p1-p0)/[(V1-V0)/V0]
这里,p0和V0分别是初始压力和体积,p1和V1是压缩时测得的压力和体积。
体积弹性模量也可用压力和密度表示:
K=(p1-p0)/[(ρ1-ρ0)/ρ0]
这里,ρ0和ρ1是初始和最终密度值。
体积模量可用于计算液体的静水压力和密度。例如,考虑海洋深处的海水,马里亚纳海沟。海沟底部低于海平面10994 m。
马里亚纳海沟中的静水压力可计算为:
p1=ρ*g*h
式中,p1为压力,ρ为海平面海水密度,g为重力加速度,h为水柱高度(或深度)。
p1=(1022 kg/m3)(9.81 m/s2)(10994 m)
p1=110 x 106 Pa或110 MPa
已知海平面压力为105 Pa,可计算沟槽底部的水密度:
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 Pa)
ρ1=1070 kg/m3
你能从中看到什么?尽管马里亚纳海沟底部的水承受着巨大的压力,但它并没有受到很大的压缩!
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...3/cm./sec./°C 比热 0.1 弹性模量拉伸(杨氏模量)扭转(体积或剪切模量) 18至19 x 106磅/平方英寸6.5至7 x 106磅/平方英寸 弹性模量拉伸的温度系数,从-50°C到50°C,从-50°C到50°C -0.00035每摄氏度-0.00033每摄氏度 资料来源:铜...