आयतन प्रत्यास्थता गुणांक

थोक मापांक ($$K$$ या $$B$$) किसी पदार्थ का संपीड़न के लिए पदार्थ के प्रतिरोध का एक उपाय है। इसे आयतन के परिणामी सापेक्षिक कमी के लिए अतिसूक्ष्म दबाव वृद्धि के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। अन्य मोडुली अन्य प्रकार के तनाव (भौतिकी) के लिए सामग्री की प्रतिक्रिया (तनाव (सामग्री विज्ञान)) का वर्णन करते हैं: कतरनी मापांक कतरनी तनाव की प्रतिक्रिया का वर्णन करता है, और यंग का मापांक सामान्य (लंबाई में खिंचाव) तनाव की प्रतिक्रिया का वर्णन करता है। किसी द्रव के लिए, केवल आयतन गुणांक सार्थक होता है। लकड़ी या कागज जैसे एक जटिल एनिस्ट्रोपिक ठोस के लिए, इन तीन मोडुली में इसके व्यवहार का वर्णन करने के लिए पर्याप्त जानकारी नहीं होती है, और किसी को पूर्ण सामान्यीकृत हुक के नियम का उपयोग करना चाहिए। निश्चित तापमान पर बल्क मॉड्यूलस के व्युत्क्रम को इज़ोटेर्माल दबाव कहा जाता है।

परिभाषा
थोक मापांक $$K$$ (जो आमतौर पर सकारात्मक होता है) औपचारिक रूप से समीकरण द्वारा परिभाषित किया जा सकता है
 * $$K=-V\frac{dP}{dV} ,$$

कहाँ $$P$$ दबाव है, $$V$$ पदार्थ का प्रारंभिक आयतन है, और $$dP/dV$$ मात्रा के संबंध में दबाव के व्युत्पन्न को दर्शाता है। चूँकि आयतन घनत्व के व्युत्क्रमानुपाती होता है, यह उसी का अनुसरण करता है
 * $$K=\rho \frac{dP}{d\rho} ,$$

कहाँ $$\rho$$ प्रारंभिक घनत्व है और $$dP/d\rho$$ घनत्व के संबंध में दबाव के व्युत्पन्न को दर्शाता है। बल्क मापांक का व्युत्क्रम किसी पदार्थ की संपीड्यता देता है। आम तौर पर बल्क मापांक को स्थिर तापमान पर इज़ोटेर्मल बल्क मापांक के रूप में परिभाषित किया जाता है, लेकिन स्थिर एन्ट्रापी पर स्थिरोष्म  बल्क मापांक के रूप में भी परिभाषित किया जा सकता है।

thermodynamic संबंध
सख्ती से बोलना, बल्क मापांक एक थर्मोडायनामिक मात्रा है, और बल्क मापांक को निर्दिष्ट करने के लिए यह निर्दिष्ट करना आवश्यक है कि संपीड़न के दौरान दबाव कैसे भिन्न होता है: निरंतर-तापमान (इज़ोथर्मल) $$K_T$$), निरंतर-एन्ट्रॉपी (आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया $$K_S$$), और अन्य विविधताएं संभव हैं। इस तरह के भेद विशेष रूप से गैसों के लिए प्रासंगिक हैं।

एक आदर्श गैस # ध्वनि की गति के लिए, एक आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया में है:


 * $$PV^\gamma=\text{constant} \Rightarrow P\propto \left(\frac{1}{V}\right)^\gamma\propto \rho ^\gamma,

$$ कहाँ $$\gamma $$ ताप क्षमता अनुपात है। इसलिए, आइसेंट्रोपिक बल्क मापांक $$K_S$$ द्वारा दिया गया है


 * $$K_S=\gamma P.$$

इसी प्रकार, एक आदर्श गैस की समतापीय प्रक्रिया में:


 * $$PV=\text{constant} \Rightarrow P\propto \frac{1}{V} \propto \rho,

$$ इसलिए, इज़ोटेर्माल थोक मापांक $$K_T$$ द्वारा दिया गया है


 * $$K_T = P $$.

जब गैस आदर्श नहीं होती है, तो ये समीकरण बल्क मॉडुलस का केवल एक सन्निकटन देते हैं। एक तरल पदार्थ में, बल्क मापांक $$K$$ और घनत्व $$\rho$$ ध्वनि की गति निर्धारित करें $$c$$ (पी लहर), न्यूटन-लाप्लास सूत्र के अनुसार


 * $$c=\sqrt{\frac{K}{\rho}}.$$

ठोस में, $$K_S$$ और $$K_T$$ बहुत समान मूल्य हैं। ठोस भी अनुप्रस्थ तरंगों को बनाए रख सकते हैं: इन सामग्रियों के लिए एक अतिरिक्त लोचदार मापांक, उदाहरण के लिए कतरनी मापांक, तरंग गति निर्धारित करने के लिए आवश्यक है।

माप
लागू दबाव के तहत पाउडर विवर्तन # विस्तार टेंसर्स। 2C बल्क मापांक का उपयोग करके बल्क मापांक को मापना संभव है। यह द्रव का एक गुण है जो इसके दबाव में इसके आयतन को बदलने की क्षमता दर्शाता है।

चयनित मान
35 जीपीए के बल्क मॉड्यूलस वाली सामग्री 0.35 जीपीए (~) के बाहरी दबाव के अधीन होने पर इसकी मात्रा का एक प्रतिशत खो देती है$443$).

अंतरपरमाण्विक क्षमता और रैखिक लोच
चूंकि रैखिक लोच अंतर-परमाणु संपर्क का प्रत्यक्ष परिणाम है, यह बांड के विस्तार/संपीड़न से संबंधित है। यह तब क्रिस्टलीय सामग्री के लिए अंतर-परमाणु क्षमता से प्राप्त किया जा सकता है। पहले, आइए हम परस्पर क्रिया करने वाले दो परमाणुओं की स्थितिज ऊर्जा की जाँच करें। बहुत दूर के बिंदुओं से शुरू करके वे एक दूसरे के प्रति आकर्षण महसूस करेंगे। जैसे-जैसे वे एक-दूसरे के पास आते हैं, उनकी संभावित ऊर्जा कम होती जाएगी। दूसरी ओर, जब दो परमाणु एक-दूसरे के बहुत निकट होते हैं, तो प्रतिकारक अन्योन्य क्रिया के कारण उनकी कुल ऊर्जा बहुत अधिक होगी। साथ में, ये क्षमताएँ एक अंतर-परमाणु दूरी की गारंटी देती हैं जो एक न्यूनतम ऊर्जा स्थिति प्राप्त करती है। यह कुछ दूरी पर होता है0, जहां कुल बल शून्य है:


 * $$F=-{\partial U \over \partial r}=0$$

जहाँ U अंतरपरमाण्विक क्षमता है और r अंतरपरमाण्विक दूरी है। इसका मतलब है कि परमाणु संतुलन में हैं।

ठोस में दो परमाणुओं के दृष्टिकोण का विस्तार करने के लिए, एक साधारण मॉडल पर विचार करें, कहते हैं, एक तत्व की 1-डी सरणी, जिसमें एक अंतर-परमाणु दूरी है, और संतुलन दूरी एक है0. इसकी संभावित ऊर्जा-अंतर-परमाण्विक दूरी के संबंध में दो परमाणुओं के मामले के समान रूप है, जो कम से कम तक पहुंचता है0, इसके लिए टेलर विस्तार है:


 * $$u(a)=u(a_0)+ \left({\partial u \over \partial r} \right )_{r=a_0}(a-a_0)+{1 \over 2} \left ({\partial^2\over\partial r^2}u \right )_{r=a_0}(a-a_0)^2+O \left ((a-a_0)^3 \right )$$

संतुलन पर, पहला व्युत्पन्न 0 है, इसलिए हावी शब्द द्विघात है। जब विस्थापन छोटा हो, तो उच्च क्रम की शर्तों को छोड़ दिया जाना चाहिए। अभिव्यक्ति बन जाती है:


 * $$u(a)=u(a_0)+{1 \over 2} \left ({\partial^2\over\partial r^2}u \right )_{r=a_0}(a-a_0)^2$$
 * $$F(a)=-{\partial u \over \partial r}= \left ({\partial^2\over\partial r^2}u \right )_{r=a_0}(a-a_0)$$

जो स्पष्ट रूप से रैखिक लोच है।

ध्यान दें कि व्युत्पन्न दो पड़ोसी परमाणुओं पर विचार किया जाता है, इसलिए हुक का गुणांक है:


 * $$K=a_0{dF \over dr}=a_0 \left ({\partial^2\over\partial r^2}u \right )_{r=a_0}$$

अंतर-परमाण्विक दूरी के स्थान पर आयतन प्रति परमाणु (Ω) के साथ, इस फॉर्म को आसानी से 3-डी केस तक बढ़ाया जा सकता है।


 * $$K=\Omega_0 \left ({\partial^2\over\partial \Omega^2}u \right )_{\Omega=\Omega_0}$$

परमाणु त्रिज्या के साथ संबंध
जैसा कि ऊपर व्युत्पन्न किया गया है, बल्क मापांक सीधे अंतर-परमाणु क्षमता और आयतन प्रति परमाणु से संबंधित है। हम K को अन्य गुणों से जोड़ने के लिए अंतर-परमाणु क्षमता का और मूल्यांकन कर सकते हैं। आमतौर पर, अंतर-परमाणु क्षमता को दूरी के एक समारोह के रूप में व्यक्त किया जा सकता है जिसमें दो शब्द होते हैं, आकर्षण के लिए एक शब्द और प्रतिकर्षण के लिए दूसरा शब्द।


 * $$u=-Ar^{-n}+Br^{-m}$$

जहाँ A > 0 आकर्षण शब्द का प्रतिनिधित्व करता है और B > 0 प्रतिकर्षण का प्रतिनिधित्व करता है। एन और एम आम तौर पर अभिन्न होते हैं, और एम आमतौर पर एन से बड़ा होता है, जो प्रतिकर्षण की छोटी सीमा प्रकृति का प्रतिनिधित्व करता है। संतुलन की स्थिति में, यू अपने न्यूनतम स्तर पर है, इसलिए प्रथम कोटि का अवकलज 0 है।


 * $$\left ({\partial u \over \partial r} \right )_{r_0}=Anr^{-n-1}+-Bmr^{-m-1}=0$$
 * $${B \over A}={n \over m}r_0^{m-n}$$
 * $$u=-Ar^{-n} \left (1-{B \over A}r^{n-m} \right )=-Ar^{-n} \left (1-{n \over m}r_0^{m-n}r^{n-m} \right )$$

जब आर करीब है, याद रखें कि एन (आमतौर पर 1 से 6) एम (आमतौर पर 9 से 12) से छोटा होता है, दूसरी अवधि को अनदेखा करें, दूसरे व्युत्पन्न का मूल्यांकन करें


 * $$\left ({\partial^2\over\partial r^2}u \right )_{r=a_0}=-An(n+1)r_0^{-n-2}$$

r और Ω के बीच संबंध को याद कीजिए


 * $$\Omega ={4\pi \over 3}r^3 $$
 * $$\left ({\partial^2\over\partial \Omega^2}u \right )= \left ({\partial^2\over\partial r^2}u \right ) \left ({\partial r \over \partial \Omega } \right )^2=\left ({\partial^2\over\partial r^2}u \right )\Omega^{-\frac{4}{3}}$$
 * $$K=\Omega_0 \left ({\partial^2 u \over \partial r^2} \right )_{\Omega =\Omega_0} \propto r_0^{-n-3}$$

कई मामलों में, जैसे धातु या आयनिक सामग्री में, आकर्षण बल इलेक्ट्रोस्टैटिक होता है, इसलिए n = 1, हमारे पास है


 * $$K\propto r_0^{-4}$$

यह समान बंधन प्रकृति वाले परमाणुओं पर लागू होता है। यह संबंध क्षार धातुओं और कई आयनिक यौगिकों के भीतर सत्यापित होता है।