Tiivistettävyydet

Tiivistettävyydet ovat fysikaalisia ominaisuuksia, jotka kuvaavat aineen tilavuuden muuttumista paineen vaikutuksesta. Yleisimmässä muodossaan tiivistettävyys määritellään isothermal compressibility κ_T = - (1/V) (∂V/∂P)_T, ja sitä vastineena pidetty suure on bulk modulus B = -V (∂P/∂V)_T, jonka suhde on B = 1/κ_T. Tiivistettävyys esiintyy sekä kaasujen että nesteiden ja kiinteiden materiaalien yhteydessä, mutta eri olosuhteissa se käyttäytyy eri tavoin: kaasut ovat yleensä helposti tiivistettäviä, nesteet tiivistyvät vähemmän ja kiinteät aineet ovat käytännössä melko jäykkiä.

Tiivistettävyys on paine- ja lämpötilariippuvainen suure. Esimerkiksi ideaalikaasujen tiivistettävyys κ_T = 1/P, mikä tarkoittaa, että tiivistettävyys kasvaa paineen laskiessa. Nesteillä ja kiinteillä tiivistettävyys on pienempi ja se muuttuu paineen kasvaessa. Tiivistettävyys vaikuttaa myös äänen nopeuteen: c = sqrt(B/ρ), jossa ρ on tiheys, ja siten materiaaleilla, joiden tiivistettävyys on suuri, ääni kulkee nopeammin.

Arvot tyypillisille aineille osoittavat suuret erot. Ilman κ_T on noin 9,9 × 10^-6 Pa^-1 (B noin 1,01 × 10^5 Pa). Vesiin B on noin 2,2 GPa, κ_T noin 4,5 × 10^-10 Pa^-1. Teräksen B on noin 160 GPa, κ_T noin 6,3 × 10^-12 Pa^-1. Nämä erät osoittavat, että kaasut ovat paljon tiivistettävämpiä kuin nesteet ja kiinteät.

Käytännössä tiivistettävyydet kattavat sekä termodynaamisen kuvauksen että materiaalitekniikan kontekstin. Geofysiikassa tiivistettävyys liittyy kivien puristusvastukseen ja ääniaaltojen nopeuteen, kun taas materiaalitutkimuksessa se määritellään densifikaatiokäyrien kautta ja vaikuttaa prosesseihin kuten puristus, hitutus ja sintraus. Mittausmenetelmiä ovat tilavuuden muutosten mittaukset puristuslaitteissa sekä ultrasoniset menetelmät bulk-modulin arvioimiseksi.