kompressibiliteetti

Kompressibiliteetti kuvaa aineen tilavuuden (V) muutoksen herkkyyttä paineen (P) muuttuessa. Se kertoo, kuinka helposti ainetta puristetaan tai laajennetaan. Staattinen, isoterminen ja isentropinen kompressibiliteetti kuvaa tilannetta eri termodynaamisissa oloissa.

Määritelmät: isoterminen (tai staattinen) kompressibiliteetti κ_T = −(1/V)(∂V/∂P)_T mittaa tilavuuden muutosta paineen vakaassa lämpötilassa. Isentropinen kompressibiliteetti κ_S = −(1/V)(∂V/∂P)_S kuvaa tilavuuden muutosta, kun prosessi tapahtuu yhdistettynä adiabattisesti (samalla entropialla). Bulkmodulus (tilavuusmoduuli) on sen kääntäen: B_T = 1/κ_T ja B_S = 1/κ_S. Näin suurin osin suuremmasta tiivistymiskestävyydestä seuraa suurempi vastus paineen muutoksille.

Fysikaalinen merkitys: kompressibiliteetti liittyy tiiviisti äänen nopeuteen ja aineen dynamiikkaan. Äänen nopeus c on c = sqrt[(∂P/∂ρ)_s], ja tavallisesti c^2 ≈ B_S/ρ, missä ρ on tiheys. Hyödyllisiä erityistapauksia ovat ideaalikaasuissa κ_T = 1/P ja κ_S = 1/(γP), missä γ on kaasun adiabattinen kertaushäntä. Tällöin c^2 = γP/ρ.

Esimerkit: ilman kompressibiliteetti on suurta (κ_T ~ 9,9×10^−6 Pa^−1 at room temperature), mikä tarkoittaa suurta tiivistymispystyä; veden κ_T on hyvin pieni (~4–5×10^−10 Pa^−1), ja veden bulkmodulus noin 2,2 GPa, jolloin veden äänen nopeus on noin 1500 m/s. Orgaaniset ja metalliset aineet ovat tyypillisesti paljon jäykempiä kompressioissa kuin pennon nesteet.

Kompressibiliteetti riippuu lämpötilasta, paineesta ja aineesta, ja se voidaan määritellä joko tilavuuspainotteisesti (κ_T) tai isentropisesti (κ_S) erilaisten tilojen mukaan. Vähemmän tiiviit, lämpötilaan herkemät aineet voivat osoittaa huomattavia muutoksia kompressibiliteetissa lämpötilan muuttuessa.