Сжимаемость

Сжима́емость

Способность вещества изменять свой объём под действием всестороннего давления. С. обладают все вещества. Если вещество в процессе сжатия не испытывает химических, структурных и других изменений, то при возвращении внешнего давления к исходному значению начальный объём восстанавливается. У твёрдых тел, имеющих поры, трещины и другие неоднородности структуры, практически обратимая С. может наблюдаться только при достаточно высоком давлении (например, у горных пород при давлении большем 2—5 кбар; 1 кбар = 10⁸ н/м²).

Обычно С. (объёмной упругостью) называется обратимое изменение занимаемого веществом объёма V под равномерным гидростатическим давлением р. Величину С. характеризует коэффициент С. (β, который выражает уменьшение единичного объёма тела при увеличении р на одну единицу: , где ΔV и Δρ — изменения объёма V и плотности ρ при изменении р на величину Δр. К = 1/β называют модулем объёмной упругости (модулем объёмного сжатия, объёмным модулем), для твердых тел , где Е — модуль нормальной упругости (Юнга модуль), μ — модуль сдвига. Для идеальных газов К = р при любой температуре Т. В общем случае С. вещества, а следовательно К и β, зависит от р и Т. Как правило, β убывает при увеличении р и растет с Т. Часто С. характеризуют относит. плотностью δ = ρ/ρ₀, где ρ₀ — плотность при О °С и р = 1 атм.

Сжатие может происходить как при постоянной температуре (изотермически), так и с одновременным разогревом сжимаемого тела (например, в адиабатном процессе). В последнем случае значения К будут большими, чем при изотермическом сжатии (для большинства твёрдых тел при обычной температуре — на несколько %).

Для оценки С. веществ в широком диапазоне давлений используют уравнения состояния, выражающие связь между р, V и Т. Определяют С. непосредственно по изменению объёма тел под давлением (см. Пьезометр), из акустических измерений скорости распространения упругих волн в веществе, из экспериментов по ударному сжатию, дающих зависимость между ρ и р при максимальных полученных в эксперименте давлениях. С. находят также из измерений параметров кристаллической решётки под давлением, производимых методом рентгеновского структурного анализа (См. Рентгеновский структурный анализ). С. можно определить с помощью измерения линейной деформации твёрдого тела под гидростатическим давлением (по т. н. линейной С.). Для изотропного тела коэффициент линейной С. , где L — линейный размер тела.

С. газов, будучи очень большой при давлениях до 1 кбар, по мере приближения их плотности к плотности жидкостей становится близкой к С. жидкостей. Последняя с ростом р уменьшается сначала резко, а затем меняется весьма мало: в интервале 6—12 кбар β уменьшается примерно так же, как в интервале от 1 атм (10^-3 кбар) до 1 кбар (примерно в 2 раза), и при 10—12 кбар составляет 5—10% от начального значения. При 30—50 кбар модули К жидкостей по порядку величины близки к К твёрдых тел. Для твёрдых тел при 100 кбар Δρ/ρ₀ — 15—25%. Для отдельных веществ, например щелочных металлов, Δρ/ρ ~ 40%, для большинства др. металлов ~ 6—15%. Линейная С. анизотропных веществ зависит от кристаллографических направлений (во всяком случае, до давлений в десятки кбар), причём вдоль направлений со слабым межатомным взаимодействием она может в 8—10 раз превосходить С. по направлениям, вдоль которых в кристаллической решётке имеет место более сильная связь; изменение параметра решётки в этих направлениях в определённом интервале р может быть даже положительным (теллур, селен). С. — важнейшая характеристика вещества, которая позволяет судить о зависимости физических свойств от межатомных (межмолекулярных) расстояний.

Знание С. газов (паров), жидкостей и твёрдых тел необходимо для расчёта работы тепловых машин, химико-технологических процессов, действия взрыва, аэро- и гидродинамических эффектов, наблюдающихся при движениях с большими скоростями, и т. д. Примеры С. различных веществ приведены в ст. Давление высокое.

Лит.: Варгафтик Н. Б., Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, 2 изд., М., 1972; Справочник физических констант горных пород, [пер. с англ.], М., 1969, гл. 7; Физический энциклопедический словарь, т. 4, М., 1963 (ст. Сжимаемость). См. также лит. при статьях Давление высокое. Пьезометр.

Л. Д. Лившиц.