Bulk Elastic Properties

The bulk elastic properties of a material determine how much it will compress under a given amount of external pressure. The ratio of the change in pressure to the fractional volume compression is called the bulk modulus of the material.

A representative value for the bulk modulus for steel is and that for water is The reciprocal of the bulk modulus is called the compressibility of the substance. The amount of compressionof solids and liquids isseen to be very small.

The bulk modulus of a solid influences the speed of sound and other mechanical waves in the material. Er ist auch ein Faktor für die Menge an Energie, die in festem Material in der Erdkruste gespeichert ist. Diese angesammelte elastische Energie kann bei einem Erdbeben heftig freigesetzt werden, so dass die Kenntnis des Volumenmoduls für die Materialien der Erdkruste ein wichtiger Bestandteil der Erdbebenforschung ist. Der Bulkmodul ist ein Faktor für die Geschwindigkeit der seismischen Wellen bei Erdbeben.

Eine gängige Aussage ist, dass Wasser eine inkompressible Flüssigkeit ist. Das stimmt zwar nicht ganz, wie der endliche Kompressionsmodul zeigt, aber der Grad der Kompression ist sehr gering. Auf dem Grund des Pazifischen Ozeans in einer Tiefe von etwa 4000 Metern herrscht ein Druck von etwa 4 x 107 N/m2. Selbst unter diesem enormen Druck beträgt die fraktionierte Volumenkompression nur etwa 1,8 % und die von Stahl nur etwa 0,025 %. Man kann also mit Fug und Recht behaupten, dass Wasser nahezu inkompressibel ist. Referenz: Halliday, Resnick, Walker, 5th Ed. Extended.

John Hermance weist darauf hin, dass für ein genaueres Bild der Kompressibilität von Wasser die Temperatur berücksichtigt werden sollte. Der Grund, warum die 1,8%ige Kompression oben angegeben werden kann, ist, dass die Kompressibilität des Wassers bei 20°C an der Oberfläche ungefähr der Kompressibilität in 4000m Tiefe entspricht, wenn die Temperatur am Boden 5°C beträgt. Die Kompressibilität bei diesem Druck und in dieser Tiefe hat aufgrund der kälteren Temperatur einen höheren Wert als bei 20°C. Anhand der detaillierten Kompressibilitätsdaten für Wasser aus der Fine & Millero-Zusammenstellung kann man sehen, dass bei einer Bodentemperatur von 5°C die Kompression etwa 1,82% betragen würde, bei 20°C aber nur 1,66%.

Wenn die Bodentemperatur 5°C beträgt, nimmt die Kompressibilität von der Oberfläche bis zur Tiefe nur um 0,9% ab, während sie bei einer Bodentemperatur von 20°C um etwa 9,6% abnimmt.

Hermances Interesse an diesem detaillierten Bild der Kompressibilität ergibt sich aus der Anwendung auf die Kompressibilität von Grundwasser im Untergrund der Erde. Dieses Grundwasser könnte eine höhere Temperatur haben, und die Änderung der Kompressibilität ist von erheblicher Bedeutung für das Verständnis der Speicherung und Freisetzung von Grundwasser aus Rissen und Poren im Gestein sowie für die Auswirkungen von Hydrofracking, Erdbeben usw. in der oberen Erdkruste.