Физика на явленията под високо налягане

Явления с високо налягане, промени във физичните, химичните и структурните характеристики, които материята претърпява, когато са подложени на високо налягане. По този начин налягането служи като универсален инструмент в изследването на материалите и е особено важно при изследването на скалите и минералите, които формират дълбоката вътрешност на Земята и други планети.

Налягането, определено като сила, приложена към дадена зона, е термохимична променлива, която предизвиква физически и химически промени, сравними с по-познатите ефекти на температурата. Течната вода например се превръща в твърд лед, когато се охлади до температури под 0 ° C (32 ° F), но ледът може да се произведе и при стайна температура чрез компресиране на вода до налягане приблизително 10 000 пъти над атмосферното налягане. По подобен начин водата се превръща в газообразната си форма при висока температура или при ниско налягане.

Въпреки повърхностното сходство между температура и налягане, тези две променливи са коренно различни по начините, по които влияят на вътрешната енергия на материала. Температурните колебания отразяват промените в кинетичната енергия и по този начин в термодинамичното поведение на вибриращите атоми. Увеличеното налягане, от друга страна, променя енергията на атомните връзки, като принуждава атомите да се сближават заедно в по-малък обем. По този начин налягането служи като мощна сонда за атомни взаимодействия и химично свързване. Освен това налягането е важен инструмент за синтезиране на плътни структури, включително свръхтвърди материали, нови втвърдени газове и течности и минералоподобни фази, за които се подозира, че се появяват дълбоко в рамките на Земята и други планети.

Въведени са множество единици за измерване на налягането и понякога са объркани в литературата. Атмосферата (атм; приблизително 1,034 килограма на квадратен сантиметър [14,7 паунда на квадратен инч], което се равнява на теглото на живак от около 760 милиметра [30 инча]) и лентата (еквивалентна на един килограм на квадратен сантиметър) често се цитират. По съвпадение тези единици са почти идентични (1 bar = 0,987 атм). Паскалът, определен като един нютон на квадратен метър (1 Pa = 0,00001 bar), е официалната единица за налягане на SI (Système International d'Unités). Независимо от това, паскалът не е получил всеобщо признание сред изследователите с високо налягане, може би поради неудобната необходимост от използването на гигапаскал (1 GPa = 10 000 бара) и терапаскал (1 TPa = 10 000 000 бара) при описване на резултатите от високо налягане.

В ежедневния опит по-голямо от атмосферното налягане се среща например в тенджери под налягане (около 1,5 атм), пневматични автомобилни и камионни гуми (обикновено 2 до 3 атм) и парни системи (до 20 атм). В контекста на изследванията на материалите обаче „високото налягане“ обикновено се отнася до налягания в диапазона от хиляди до милиони атмосфери.

Изследванията на материята под високо налягане са особено важни в планетарен контекст. Обектите в най-дълбокия изкоп на Тихия океан са подложени на около 0,1 GPa (приблизително 1000 атм), което се равнява на налягането под трикилометрова скала. Налягането в центъра на Земята надвишава 300 GPa, а налягането във вътрешността на най-големите планети - Сатурн и Юпитер - се изчислява приблизително на 2 и 10 TPa. В горната крайност налягането вътре в звездите може да надвишава 1 000 000 000 TPa.

Произвежда високо налягане

Учените изучават материали под високо налягане, като затварят проби в специално проектирани машини, които прилагат сила върху зоната на пробата. Преди 1900 г. тези проучвания са проведени в доста груби цилиндри от желязо или стомана, обикновено със сравнително неефективни винтови уплътнения. Максималното лабораторно налягане е било ограничено до около 0,3 GPa, а експлозиите на цилиндрите са често срещано и понякога вредно явление. Драматичните подобрения в апаратите за високо налягане и измервателните техники са въведени от американския физик Пърси Уилямс Бриджман от Харвардския университет в Кеймбридж, Масачузетс. През 1905 г. Бриджман открива метод за опаковане на проби под налягане, включително газове и течности, по такъв начин, че да се запечата уплътнението винаги е имало по-високо налягане от изследваната проба, като по този начин ограничава пробата и намалява риска от експериментална повреда. Бриджман не само е постигнал рутинно налягане над 30 000 атм, но и е в състояние да изучава течности и други трудни проби.