Давление высокое

Давление высокое (далее Д) в широком смысле - давление, превышающее атмосферное; в конкретных технических и научных задачах - давление, превышающее характерное для каждой задачи значение. Столь же условно встречающееся в литературе подразделение Д на высокие и сверхвысокие.

Длительно действующее Д называют статическим, кратковременно действующее - мгновенным или динамическим.

В покоящихся газах и жидкостях Д является гидростатическим: на любую свободную поверхность, граничащую со сжатой средой, действуют только нормальные напряжения, величина которых не зависит от ориентировки поверхности и (с точностью до давления, обусловленного собственным весом сжатой среды) одинакова во всем объеме. Твердые тела обладают конечным сопротивлением сдвигу (в жидкостях при достаточно медленном нагружении оно равно нулю), поэтому напряженное состояние твердого тела определяется как нормальными, так и касательными напряжениями (напряжениями сдвига). При сжатии твердой среды в ней возникает сложная система механических напряжений, которые в общем случае изменяются от одной точки тела к другой. Средним давлением (средним нормальным напряжением) в данной точке тела называется среднее арифметическое значение нормальных напряжений в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Перепад среднего давления в сжимаемом теле и напряжения сдвига вносят известную неопределенность в экспериментально определяемые значения Д в твердом веществе; Д в этом случае называют квазигидростатическим. Чем меньше величина напряжений сдвига по сравнению со средним нормальным напряжением, тем ближе квазигидростатическое Д к гидростатическому. Термин "Д" употребляется для обозначения как гидростатического, так и квазигидростатического давления.

В физике в качестве единицы Д применяют обычно килобар (1 кбар == 10⁸ н/м² 1019,7 кгс/см²).

В природе статические Д существуют в первую очередь благодаря действию тяготения (гравитации). Гравитационное поле Земли создает в горных породах статическое давление, изменяющее от атмосферного в поверхностных слоях до ~ 3,510³ кбар в центре планеты. Большая часть Земли находится под действием статического Д и высоких температур, достаточных для изменения физических и свойств минералов и минерального состава горных пород (рис. 1). Статическое Д в центре Солнца составляет ~ 10⁷ кбар, а в центре звезд белых карликов оно предполагается равным 10¹⁰-10¹² кбар.

Динамическое Д в природных условиях возникает при взрывах, падении метеоритов, вулканической деятельности и тектонических движениях.

В технике Д до 3 кбар были получены при сгорании пороха в огнестрельном оружии еще в 13-14 вв. Статические Д такого же порядка были достигнуты с помощью насосов и прессов только во 2-й половине 19 в.

Значительно усовершенствовались методы получения Д в 20 в., в частности в результате работ П. У. Бриджмена. Особенно широко исследования при Д развернулись после 2-й мировой войны. В СССР центром исследований при статическом Д является Институт физики высоких давлений АН СССР (см. Физики высоких давлений институт).

Благодаря развитию техники Д, опирающейся на успехи машиностроения и металлургии, а также на достижения в создании и применении взрывчатых веществ, к концу 1960-х гг. получены статические Д до ~ 210³ кбар и динамические до 10⁴ кбар (рис. 2), а при подземных взрывах до ~3(10⁴ кбар.

Область применений Д очень широка. В сочетании с высокой температурой Д используются в металлургии (прокатка, ковка, штамповка, горячее прессование), в керамическом производстве, при синтезе и обработке полимеров и в др. отраслях промышленности. При Д синтезируют вещества и осуществляют реакции, которые в иных условиях затруднены или невозможны, например синтез аммиака (до 1 кбар, 400°), синтез метилового спирта (до 0,5 кбар, 375°), гидрогенизация углей (до 0,7 кбар, 500°) и др. Большое промышленное значение имеет гидротермальный синтез крупных и совершенных кварца (~1 кбар, несколько сотен град.), применяемых как сырье для оптических изделий и пьезоэлектрических датчиков.

Интерес к физике и химии Д стимулируется потребностями современной техники в материалах со специальными свойствами (в частности, абразивных, полупроводниковых и др.), а также потребностями в создании прогрессивных методов обработки металлов (см., например, Прессование). Многие направления исследований при Д определяются интересами теории твердого тела и геофизики, развитие которых связано с получением новых экспериментальных данных о свойствах веществ при сжатии их до состояний с высокой плотностью.

К наиболее известным достижениям физики и химии Д 2-й половине 20 в. в области статических давлений относится имеющее большое научное и практическое значение искусственное получение алмаза (выше 50 кбар и 1400°), синтез боразона (выше 40 кбар и 1400°) - соединения, по твердости близкого к алмазу, а также получение плотных модификаций кремнезема (5102) - коусита (от 35 кбар и 750° и выше) и стишовита (от 90 кбар, 600° и выше), представляющих большой интерес для наук о Земле. В области динамического Д - мирное и военное использование взрыва, исследование изменения плотности и фазовых переходов в ряде веществ при Д и температурах, недоступных статическим Д

Поведение веществ в условиях Д Непосредственным результатом действия Д является сжатие вещества (увеличение его плотности). Под Д энергетически выгодным становится то направление физических и процессов, которое ведет к уменьшению объема всех взаимодействующих веществ (при условии сохранения их массы, см. Ле Шателье - Брауна принцип).

Д влияет и на скорость (кинетику) физических и процессов, причем Д может их как ускорять, так и замедлять. Ускорение некоторых реакций наблюдается, например, в газах (благодаря увеличению частоты столкновений между молекулами в результате увеличения плотности), а замедление, например, некоторых фазовых превращений - в сплавах (из-за уменьшения скорости диффузии, уменьшения равновесной концентрации вакансии и т. д.). Поэтому многие практические важные процессы при Д проводятся при высокой температуре, которая увеличивает подвижность частиц и тем самым ускоряет достижение равновесного состояния.

При сжатии вещества действующие на него извне силы давления совершают механическую работу и увеличивают тем самым энергию тела - внутреннюю, если не происходит теплообмена с окружающей средой (изоэнтропийный процесс, сопровождающийся нагреванием тела), или свободную, если температура сжимаемого тела не меняется (изотермический процесс). На практике к изотермическим часто относят процессы статического сжатия, при которых температуру тела можно считать постоянной. Если в результате сжатия температура тела повышается, то в нем развивается большее давление, чем при изотермическом сжатии (при одинаковых начальных условиях и одинаковой степени сжатия, т. е. относительной плотности).

Давление в газах имеет тепловое происхождение: оно связано с передачей импульса находящимися в тепловом движении молекулами (при их столкновениях). В конденсированных фазах (жидкостях, твердых телах) различают упругую и тепловую составляющие Д Первая, называемая "холодным" давлением (p_x), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объема тела, а вторая - с их тепловым движением, обусловленным повышением температуры при сжатии. При статическом сжатии тепловая составляющая много меньше упругой, при сжатии в сильной ударной волне обе составляющие сравнимы по величине, их сумму называют "горячим" давлением (p_r).

Уменьшение межатомных (межмолекулярных) расстояний при сжатии приводит в конечном счете к деформации молекул и внешних электронных оболочек к изменению характера межатомных взаимодействий, что неизбежно сказывается на физических и свойствах вещества. Например, при статическом сжатии в пределах нескольких кбар или первых десятков кбар изменяются условия взаимной растворимости газов (см. Растворы); плотность газов сравнивается с плотностью жидкостей, жидкости затвердевают (при комнатной температуре и давлении до 30-50 кбар); многие вещества испытывают превращения с образованием новых форм (полиморфные превращения); наблюдаются переходы твердых диэлектриков и полупроводников в металлическое состояние и т. д.

Когда плотность вещества становится в 10 и более раз выше плотности твердых тел при нормальных условиях, что соответствует давлению ~ 10¹² кбар, зависимость плотности r от "холодного" давления приближается к предельной и для всех веществ оказывается одинаковой: r^5/3~p_x. В принципе, при столь высоких давлениях ядра полностью ионизованных могут сближаться и, преодолев потенциальный барьер, вступать в ядерные реакции.

При достаточно высоких давлениях, но температурах ниже температуры вырождения вещество переходит в вырожденное состояние, при котором энергия и давление не зависят от температуры (см. Вырожденный газ, Вырождения температура).

Ниже описываются некоторые свойства газов, жидкостей и твердых тел в экспериментально доступном диапазоне Д При Д до 30-50 кбар исследуются вещества во всех агрегатных состояниях. При больших Д главным объектом физических исследований является твердое тело.

Физические свойства индивидуального вещества в твердом состоянии могут быть разделены на три основные группы. К 1-й группе относят свойства, связанные с т. н. явлениями на молекулярном уровне: движением (молекул), точечных дефектов в кристаллах, дислокаций и т. д. Этими явлениями определяются, например, диффузия, фазовые переходы, разрушение под действием механических нагрузок и ряд др. физических свойств твердого тела. Ко 2-й группе относят свойства, определяемые характером основного (невозбужденного - см. Твердое тело) состояния т. е. взаимным расположением средним расстоянием между ними и колебаниями решетки при абсолютном нуле температуры: упругость, сжимаемость, электропроводность металлов, ферромагнетизм. К 3-й группе - свойства, связанные в первую очередь с видом возникающих в твердом теле элементарных возбуждений - квазичастиц (фононов, экситонов и др.) и их взаимодействием (например, зависимость сжимаемости, электропроводности, эффектов от температуры, поля, электромагнитного излучения и др. внешних параметров). Теоретическое описание последней группы свойств возможно лишь для тел, имеющих температуру, близкую к абсолютному нулю, поэтому большое значение имеют опыты при Д и сверхнизких температурах. Микроскопическая теория влияния Д на первые две группы свойств развита недостаточно, но имеется довольно обширный экспериментальный материал.

На рис. 3-6 приведены зависимости от давления объема (плотности) веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях. После снятия Д первоначальный объем газов, жидкостей и твердых тел (не содержащих пор и посторонних включений) восстанавливается. Свойство тел обратимо изменять свой объем под давлением называется сжимаемостью или объемной упругостью. Сжимаемость обусловлена действием межатомных сил и поэтому является важнейшей характеристикой вещества. Наибольшей сжимаемостью обладают газы. Плотность газов под Д в 10 кбар увеличивается в сотни раз (при комнатной температуре), жидкостей в среднем на 20-30%, твердых тел - на 0,5-2%. С ростом давления сжимаемость уменьшается - кривые на графиках становятся более пологими. При 30-50 кбар сжимаемость большинства исследованных жидкостей различается не более чем на 10% и приближается (при не очень высоких температурах) к сжимаемости твердой фазы. Наименее сжимаемы вещества с наиболее сильной межатомной связью (например, алмаз, а из металлов - тугоплавкие и (рис. 5, 6). При наибольшем достигнутом динамическом Д (~3(10⁴ кбар) плотность и увеличивается соответственно в 2,5 и 3,3 раза. Простые вещества ( элементы), имеющие больший объем, имеют и большую сжимаемость. объем является периодической функцией номера Z элемента (см. Атом). Поэтому с ростом давления периодичность зависимости объема (и сжимаемости) от Z сглаживается (рис. 7), что отражает изменение строения внешних электронных оболочек и свидетельствует об изменении физических и свойств элементов под Д

Увеличение плотности и уменьшение сжимаемости вещества под Д приводит к росту скорости упругих волн (скорости звука): у металлов, ионных при 10 кбар - на несколько процентов, у газов - в несколько раз. При динамическом Д в несколько тыс. кбар скорость упругих волн в металлах возрастает примерно в 2 раза. С увеличением плотности газов и жидкостей растет их вязкость. В отличие от большинства др. свойств, зависимость вязкости от давления имеет положительную производную: при последовательном росте Д на определенную величину увеличение вязкости возрастает (рис. 8).

У тел Д увеличивает пластичность: при одноосном растяжении (сжатии) разрушение наступает, как правило, после большей деформации, чем при атмосферном давлении. Характер излома малопластичных металлов под Д меняется от хрупкого к вязкому (рис. 9), несколько увеличивается и прочность. Это объясняется тем, что Д способствует залечиванию дефектов строения (микротрещин и др.) в процессе пластического деформирования тел. При сдвиге под Д у металлов и ионных с ростом давления наблюдается рост сопротивления сдвигу (например, y в интервале 10-50 кбар примерно в 3,3 раза), а у горных пород и стекол наблюдаются разупрочнение, потеря сплошности и др. явления.

Резкое изменение физических свойств, например плотности (рис. 10) или электрического сопротивления (рис. 11), наблюдается у твердых тел при фазовых переходах под Д (полиморфных превращениях, плавлении).

Из двух модификаций одного и того же вещества большей плотностью обладает модификация, устойчивая при более высоком давлении. Разница в плотности двух модификаций может достигать 30-40%, но в большинстве случаев она меньше. В отличие от плотности, электрическое сопротивление металлов при полиморфных переходах может как уменьшаться, так и возрастать. Скачки электрического сопротивления некоторых металлов (например, и , см. рис. 11) при полиморфных переходах используются для градуировки аппаратуры Д (см. ниже). Обычно при снижении Д происходит обратное превращение и вещество возвращается в менее плотную модификацию. Методом рентгеновского структурного анализа установлено, что, как правило, под Д образуются структуры, известные для др. элементов и соединений при нормальных условиях. Многие полиморфные превращения осуществляются при совместном воздействии Д и высоких температур. В этих случаях более плотную модификацию часто удается сохранить в нормальных условиях, применив закалку под Д Для этого сначала резко снижают температуру, а затем давление (до атмосферного). Закалкой пользуются, в частности, при синтезе алмаза, боразона, многих минералов.

По экспериментальным данным о давлении фазовых переходов при различных температурах строят т. н. фазовые диаграммы, изображающие области стабильности модификаций и расплава индивидуальных веществ (рис. 12). температура плавления (Т_пл) большинства веществ возрастает с давлением (рис. 13). У и , которые при атмосферном давлении плавятся при температуре около 800°, при динамическом сжатии плавление наблюдалось при 3200° (540 кбар) и 3500° (330 кбар) соответственно. Весьма значительно повышение температуры плавления с давлением у органических веществ; у бензола, например, при атмосферном давлении Т_пл = 5°С, а при 11 кбар Т_пл= 200°. Известны т. н. аномальные вещества (₂, , , , и др.), у которых Т_пл в определенном интервале Д понижается с ростом давления, т. к. жидкая фаза у этих веществ плотнее соответствующей ей модификации. После полиморфного перехода с образованием более плотной модификации ход кривой плавления этих веществ становится нормальным (у воды, например, выше 2 кбар, у ~ 18 кбар).

Электрическое сопротивление ряда металлов под Д уменьшается (у Со, , A1 и др. на 15-20% при 100 кбар, см. рис. 14). Качественно это объясняется уменьшением амплитуды колебаний в решетке и соответствующим уменьшением рассеяния решеткой электронов проводимости. У щелочных, щелочноземельных, редкоземельных металлов зависимость электрического сопротивления от Д сложнее (см. рис. 11), что обусловлено изменением под действием давления формы Ферми поверхности и перекрытием энергетических зон твердого тела. У полупроводников и диэлектриков при Д появляется характерная для металлов высокая электропроводность (электроны благодаря перекрытию энергетических зон переходят из т. н. валентной зоны в зону проводимости). Изменение типа проводимости может носить как постепенный (под при 160-240 кбар), так и резкий характер ( около 130 кбар). Тенденция к переходу в металлическое состояние является, по-видимому, общей для всех веществ при достаточно высоких давлениях. Например, у серы переход в металлическое состояние наблюдается при 200 кбар, для вычисленное значение Д появления металлической проводимости составляет ~(1-2)·10³ кбар, для гидрида лития ~(25-30)·10⁴ кбар, ~9·10⁴ кбар. Иногда смещение энергетических зон в определенном интервале давлений вызывает обратный эффект, например металлический в интервале 20-40 кбар ведет себя как полупроводник, а при дальнейшем повышении Д испытывает полиморфный переход с образованием новой металлической модификации.

Электронная структура твердых тел под Д исследуется также оптическими метолами и методами, использующими ряд тонких физических эффектов (см. Холла эффект, Циклотронный резонанс, Мессбауэра эффект). Сведения об электронном строении металлов и взаимодействии электронов с фонолами под Д дают также исследования сверхпроводимости. температура перехода металлов и сплавов в сверхпроводящее состояние под действием Д изменяется: понижается у всех непереходных металлов (например, у , , AI, , ) и повышается у ряда переходных металлов (, , , , и др.) и некоторых сплавов. Некоторые простые вещества (, , , , Р), не относящиеся к сверхпроводникам при атмосферном давлении, имеют при Д сверхпроводящие модификации. Образование таких модификаций у , , (полупроводников в нормальных условиях) происходит, соответственно, при 120, 115 и 45 кбар. К наиболее известным эффектам Д относится сдвиг температуры превращения ферромагнетика в парамагнетик (Кюри точки, рис. 15).

Способы создания Д Динамические Д получают с помощью взрыва, искрового разряда, импульсного изменения поля и главным образом инерционных методов - торможения сжимаемым телом др. тела, летящего с большой скоростью.

При резком и значительном смещении поверхности тела, вызванном одним из этих способов, возникает ударная волна. Ударное сжатие сопровождается значительным разогревом вещества: температура поваренной соли и сжатых до 1000 кбар, составляет -~9·10³°, а меди и соответственно, 1500 и 750°. При неограниченном возрастании давления степень сжатия за фронтом ударной волны не превосходит некоторого предельного значения (для металлов 5-7 в зависимости от температуры). Это обусловлено ростом давления в основном за счет его "тепловой" составляющей. В изотермическом и изоэнтропийном процессах этого ограничения нет.

Путем динамического сжатия можно достигать Д в несколько десятков раз большего, чем статическими методами. Однако время действия динамических давлений ограничивается тысячными долями сек., тогда как в случае статического Д его можно удерживать в течение часов и даже дней при заданном температурном режиме.

Статические Д получают механическими или тепловыми методами. В первых используют: а) насосы и компрессоры, которыми сжимаемое вещество (жидкость или газ) нагнетается в замкнутый объем или проточную систему; известны конструкции гидравлических компрессоров на давления до 16 кбар; б) аппараты, в которых масса сжимаемого вещества остается постоянной (или почти постоянной), а объем, занимаемый этой массой, уменьшается под действием внешних сил; аппараты этого типа позволяют получать максимальные (до ~ 2·10³ кбар) статические давления, принцип их действия весьма прост: большая сила, создаваемая обычно гидравлическим прессом, сосредоточивается на малой площади, на которой и развивается Д (см. рис. 16).

В установках по схеме рис. 16, а (типа "цилиндр - поршень") Д создается в цилиндре, в который под действием внешней силы вдвигается поршень. В таких аппаратах для передачи Д можно применять твердые тела, жидкости и газы. Предел применимости аппаратов типа, изображенного на рис. 16, а, ограничивается прочностью материала поршней из твердых сплавов и составляет ~50 кбар.

Д, превосходящее предел прочности конструкционных материалов, достигается применением ряда способов усиления конструкций: 1) поддержкой всей установки или наиболее нагруженных ее элементов сжатым пластичным веществом или жидкостью; 2) созданием системы напряжений сжатия в поршнях за счет упругой деформации сосуда, который в свою очередь скрепляется набором напрессованных снаружи колец; 3) уменьшением напряжений в стенках сосуда делением их на секторы (многопуансонные установки, в которых подвижные пуансоны являются одновременно стенками камеры, рис. 16, б - е). Комбинация способов 1) и 2) позволяет повысить Д в аппаратах с цилиндрическими поршнями до 70- 100 кбар.

В аппаратах с коническими или пирамидальными пуансонами реализуются все три способа. Д создается в них сближением 2,3,4,6 и более пуансонов, которые смыкаются под углом к направлению действия силы. В этих аппаратах для передачи давления используют известняк, тальк, бор и др. твердые вещества. На установках такого типа проводились измерения оптического поглощения (через алмазные пуансоны) до 160-170 кбар, эффекта Мессбауэра до ~ 250 кбар, сжимаемости (рентгеноструктурным методом) и электропроводности до 500 кбар. В двухступенчатых многопуансонных аппаратах было получено статическое давление около 210³ кбар, при котором исследовались необратимые изменения плотности стекол.

В камерах с твердой сжимаемой средой Д определяется либо расчетным путем (в камерах по схеме 16, а), либо с помощью градуировки (в более сложных камерах). Градуировка заключается в установлении зависимости давления в сжатой среде от усилия, приложенного к пуансонам. Градуировка может, например, производиться по скачкам электрического сопротивления, сопровождающим полиморфные переходы в некоторых металлах. Задача градуировки камер пока полностью не решена.

В твердой среде температуры до +1500-3000° в стационарном режиме и более высокие - в импульсном режиме создаются с помощью внутренних электрических нагревателей (сопротивления). Для получения температур от - 196 до 400 °С применяются наружные нагреватели и холодильники, а в случае более низких температур - криогенная техника.

Оптические исследования осуществляют через окна, изготовленные из материалов, прозрачных в определенной части спектра: алмаза, сапфира, - в оптическом диапазоне; алмаза, бериллия - в рентгеновской области. Рентгеновское и гамма-излучение может быть пропущено (в камерах по схеме 16, б) также через зазоры между пуансонами.

В аппаратах, основанных на тепловых методах, Д создается либо повышением давления в газах или жидкостях при их нагревании в замкнутом сосуде (в отдельных установках достигнуты Д в газах до 30-40 кбар), либо в результате расширения "аномальных" (см. выше) жидкостей при затвердевании. Сжимаемое тело окружают жидкостью, охладив которую до затвердевания в замкнутом объеме, получают фиксированное Д (в случае воды, например, около 2 кбар).

Лит.: Бриджмен П. В., Физика высоких давлений, пер. с англ., М. - Л., 1935; его же. Новейшие работы в области высоких давлений, пер. с англ., М., 1948; его же, Исследования больших пластических деформаций и разрыва, пер. с англ., М., 1955; Верещагин Л. Ф., Физика высоких давлений и искусственные алмазы, в сборнике: Октябрь и научный прогресс, кн. 1, М., 1967, с. 509; Верещагин Л. Ф., Ицкевич Е. С. и Яковлев Е. Н., Физика высоких давлений, в сборнике: Развитие физики в СССР, кн. 1, М., 1967, с. 430: Дремин А. Н., Бреусов О. Н., Процессы, протекающие в твердых телах под действием сильных ударных волн, "Успехи химии", 1968, т. 37, в. 5; Альтшулер Л. В., Баканова А. А., Электронная структура и сжимаемость металлов при высоких давлениях. там же, 1968, т. 96, в. 2; Циклис Д.С., Техника физико- исследований при высоких давлениях, 2 изд., М., 1958; Рябинин Ю. Н., Газы при больших плотностях и высоких температурах, М., 1959; Гоникберг М. Г., Высокие и сверхвысокие давления в химии, 2 изд., М., 1968; Современная техника сверхвысоких давлений, пер. с англ., М., 1964; Пол В., Варшауэр Д. (ред.). Твердые тела под высоким давлением, пер. с англ., М., 1966;

Бранд Н. Б., Гинзбург Н. И., Сверхпроводимость при высоких давлениях, "Успехи физических наук", 1969, т. 98, в. 1; Жарков В. Н., В. А., Уравнения состояния твердых тел при высоких давлениях и температурах, М., 1968; Кормер С. Б., Оптические исследования свойств ударносжатых конденсированных диэлектриков, "Успехи физических наук", 1968, т. 94, в. 4.

Л. Д. Лившиц.

		Новости 22.12.2024 18:38:30

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.