Módulo de compresibilidad

Ilustración de compresión uniforme.

El módulo de compresibilidad ($K\,$) (en notación española ${\frac {1}{k}}$), de un material mide su resistencia a la compresión uniforme y, por tanto, indica el aumento de presión requerido para causar una disminución unitaria de volumen dado.

El módulo de compresibilidad $K\,$ se define según la ecuación:

$K=-{\frac {\Delta p}{\Delta V/V}}=-V{\frac {\Delta p}{\Delta V}}$

donde $p\,$ es la presión, $V\,$ es el volumen, $\Delta p\,$ y $\Delta V\,$ denotan los cambios de la presión y de volumen, respectivamente. El módulo de compresibilidad tiene dimensiones de presión, por lo que se expresa en pascales (Pa) en el Sistema Internacional de Unidades.

El inverso del módulo de compresibilidad indica la compresibilidad de un material y se denomina coeficiente de compresibilidad.

Ejemplo

Para disminuir el volumen de una bola de hierro, con un módulo de compresibilidad de 160 GPa (gigapascales) en un 0,5%, se requiere un aumento de la presión de 0,005×160 GPa = 0,8 GPa. Alternativamente, si la bola es comprimida con una presión uniforme de 100 MPa, su volumen disminuirá por un factor de 100 MPa/160 GPa = 0.000625 o 0,0625%.

Usos

Aunque para el tratamiento de sólidos el efecto del módulo de compresibilidad es muchas veces ignorado en favor de otros módulos, como el módulo de Young, para el tratamiento de fluidos, solo el módulo de compresibilidad es representativo. En situaciones en las que un sólido se comporta como un fluido, como por ejemplo en balística terminal, el módulo de compresibilidad no puede ser ignorado.

Estrictamente hablando, el módulo de compresibilidad es un parámetro termodinámico, y por tanto es necesario especificar las condiciones particulares en las que se produce el proceso de compresión, lo que da lugar a la definición de diferentes módulos de compresibilidad. Los más importantes, aunque no los únicos, son:

• Si durante el proceso de compresión la temperatura permanece constante, tenemos el coeficiente de compresibilidad isotérmico, ($K_{T}$) (en la notación española suele representarse como ${\frac {1}{k_{T}}}$) que viene dado por

${K_{T}}=-{\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial p}{\partial V}}\right)_{T}=\rho \left({\frac {\partial p}{\partial \rho }}\right)_{T}$

• Si el proceso de compresión es adiabático, tenemos el coeficiente de compresibilidad adiabático, ($K_{S}$) (en la notación española suele representarse como ${\frac {1}{k_{S}}}$) que viene dado por

${K_{S}}=-{\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial p}{\partial V}}\right)_{S}=\rho \left({\frac {\partial p}{\partial \rho }}\right)_{S}$

En la práctica, estas distinciones son solo relevantes para los gases. En un gas ideal, los módulos de compresibilidad isotérmico y adiabático vienen dados por

$K_{T}={p}\qquad K_{S}={\gamma p}\,$

donde

p es la presión y

γ es el coeficiente adiabático.

En un fluido, el módulo de compresibilidad K y la densidad ρ determinan la velocidad del sonido c (ondas de presión), según la fórmula

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

En la práctica un módulo de compresibilidad positivo garantiza un sistema estable. Es decir que cuando sea sometido a presiones mayores, este disminuye su volumen. Si se da lo contrario, quiere decir que un aumento de presión significa un aumento de volumen. Esto sólo se da en sistemas no estables tales como las reacciones químicas o algunos cambios de fase.

Valores de la compresibilidad

Substancia	Módulo de compresibilidad
Agua	2,2×109 Pa (este valor aumenta a mayores presiones)
Aire *	1,42×105 Pa (módulo de compresibilidad adiabático)
Aire *	1,01×105 Pa (módulo de compresibilidad isotérmico)
Acero	160×109 Pa
Aluminio	73×109 Pa
Bronce	88×109 Pa
Cobre	110×109 Pa
Cristal	35×109 a 55×109 Pa
Diamante	442×109 Pa​
Goma (caucho)	4,1×109 Pa (aproximado)
Helio sólido	5×107 Pa (aproximado)
Níquel	180×109 Pa
Plomo	50×109 Pa

* El módulo de compresibilidad de los gases depende fuertemente de la temperatura y la presión, mientras que para los sólidos y los líquidos se puede considerar constante.

Referencias

• Bulk Elastic Properties en hyperphysics de la universidad de Georgia

Fórmulas de conversión
Los materiales elásticos lineales isótropos homogéneos tienen sus propiedades elásticas únicamente determinadas por dos módulos cualesquiera de los especificados anteriormente, por lo tanto, cualquier otro módulo de elasticidad puede ser calculado de acuerdo a estas fórmulas.
	$(\lambda ,\,G)$	$(E,\,G)$	$(K,\,\lambda )$	$(K,\,G)$	$(\lambda ,\,\nu )$	$(G,\,\nu )$	$(E,\,\nu )$	$(K,\,\nu )$	$(K,\,E)$	$(M,\,G)$
$K=\,$	$\lambda +{\frac {2G}{3}}$	${\frac {EG}{3(3G-E)}}$			$\lambda {\frac {1+\nu }{3\nu }}$	${\frac {2G(1+\nu )}{3(1-2\nu )}}$	${\frac {E}{3(1-2\nu )}}$			$M-{\frac {4G}{3}}$
$E=\,$	$G{\frac {3\lambda +2G}{\lambda +G}}$		$9K{\frac {K-\lambda }{3K-\lambda }}$	${\frac {9KG}{3K+G}}$	${\frac {\lambda (1+\nu )(1-2\nu )}{\nu }}$	$2G(1+\nu )\,$		$3K(1-2\nu )\,$		$G{\frac {3M-4G}{M-G}}$
$\lambda =\,$		$G{\frac {E-2G}{3G-E}}$		$K-{\frac {2G}{3}}$		${\frac {2G\nu }{1-2\nu }}$	${\frac {E\nu }{(1+\nu )(1-2\nu )}}$	${\frac {3K\nu }{1+\nu }}$	${\frac {3K(3K-E)}{9K-E}}$	$M-2G\,$
$G=\,$			$3{\frac {K-\lambda }{2}}$		$\lambda {\frac {1-2\nu }{2\nu }}$		${\frac {E}{2(1+\nu )}}$	$3K{\frac {1-2\nu }{2(1+\nu )}}$	${\frac {3KE}{9K-E}}$
$\nu =\,$	${\frac {\lambda }{2(\lambda +G)}}$	${\frac {E}{2G}}-1$	${\frac {\lambda }{3K-\lambda }}$	${\frac {3K-2G}{2(3K+G)}}$					${\frac {3K-E}{6K}}$	${\frac {M-2G}{2M-2G}}$
$M=\,$	$\lambda +2G\,$	$G{\frac {4G-E}{3G-E}}$	$3K-2\lambda \,$	$K+{\frac {4G}{3}}$	$\lambda {\frac {1-\nu }{\nu }}$	$G{\frac {2-2\nu }{1-2\nu }}$	$E{\frac {1-\nu }{(1+\nu )(1-2\nu )}}$	$3K{\frac {1-\nu }{1+\nu }}$	$3K{\frac {3K+E}{9K-E}}$

• Datos: Q900371