«Давление высокое»

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. в. на высокие и сверхвысокие.

Длительно действующее Д. в. называют статическим, кратковременно действующее — мгновенным или динамическим.

В покоящихся газах и жидкостях Д. в. 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 всём объёме. Твёрдые тела обладают конечным сопротивлением сдвигу (в жидкостях при достаточно медленном нагружении оно равно нулю), поэтому напряжённое состояние твёрдого тела определяется как нормальными, так и касательными напряжениями (напряжениями сдвига). При сжатии твёрдой 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 трёх взаимно перпендикулярных направлениях.

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

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

В природе статические Д. в. существуют в первую очередь благодаря действию тяготения (гравитации). Гравитационное поле Земли создаёт в горных породах статическое давление, изменяющее от атмосферного в поверхностных слоях до Давление высокое 3,5•10³ кбар в центре планеты. Большая часть Земли находится под действием статического Д. в. и высоких температур, достаточных для изменения физических и химических свойств минералов и минерального состава горных пород (рис. 1). Статическое Д. в. в центре Солнца составляет Давление высокое 10⁷ кбар,а в центре звёзд белых карликов (См. Белые карлики) оно предполагается равным 10¹⁰—10¹² кбар.

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

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

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

Благодаря развитию техники Д. в., опирающейся на успехи машиностроения и металлургии, а также на достижения в создании и применении взрывчатых веществ, к концу 1960-х гг. получены статические Д. в. до Давление высокое 2•10³ кбар и динамические до 10⁴кбар (рис. 2), а при подземных взрывах до Давление высокое3(10⁴ кбар.

Область применений Д. в. очень широка. В сочетании с высокой температурой Д. в. используются в металлургии (прокатка, ковка, штамповка, горячее прессование), в керамическом производстве, при синтезе и обработке полимеров и в др. отраслях промышленности. При Д. в. синтезируют вещества и осуществляют химические реакции, которые в иных условиях затруднены или невозможны, например синтез аммиака (до 1 кбар, 400°C), синтез метилового спирта (до 0,5 кбар, 375°C), гидрогенизация углей (до 0,7 кбар, 500°C) и др. Большое промышленное значение имеет гидротермальный синтез крупных и совершенных кристаллов Кварца (Давление высокое1 кбар,несколько сотен град.), применяемых как сырьё для оптических изделий и пьезоэлектрических датчиков (См. Пьезоэлектрический датчик).

Интерес к физике и химии Д. в. 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. в. определяются интересами теории твёрдого 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. в. 2-й половине 20 в. в области статических давлений относится имеющее большое научное и практическое значение искусственное получение Алмаза (выше 50 кбар и 1400°C), синтез боразона (выше 40 кбар и 1400°C) — соединения, по твёрдости близкого к алмазу, а также получение плотных кристаллических модификаций кремнезёма (5102) — коусита (от 35 кбар и 750°C и выше) и стишовита (от 90 кбар, 600°C и выше), представляющих большой интерес для наук о Земле. В области динамического Д. в. — мирное и военное использование Взрыва, исследование изменения плотности и фазовых переходов в ряде веществ при Д. в. и температурах, недоступных статическим Д. в.

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

Д. в. влияет и на скорость (кинетику) физических и химических процессов, причём Д. в. может их как ускорять, так и замедлять. Ускорение некоторых химических 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. в. 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 нём 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, твёрдых телах) различают упругую и тепловую составляющие Д. в. Первая, называемая «холодным» давлением (p_x), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объёма 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 (См. Ударная волна) обе составляющие сравнимы по величине, их сумму называют «горячим» давлением (p_r).

Уменьшение межатомных (межмолекулярных) расстояний при сжатии приводит в конечном счёте к деформации молекул и внешних электронных оболочек атомов, к изменению характера межатомных взаимодействий, что неизбежно сказывается на физических и химических 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 кристаллические вещества испытывают превращения с образованием новых кристаллических форм (полиморфные превращения); наблюдаются переходы твёрдых диэлектриков и полупроводников в металлическое состояние и т. д.

Когда плотность вещества становится в 10 и более раз выше плотности твёрдых тел при нормальных условиях, что соответствует давлению Давление высокое 10¹² кбар, зависимость плотности ρ от «холодного» давления приближается к предельной и для всех веществ оказывается одинаковой: ρ^5/3Давление высокоеp_x. В принципе, при столь высоких давлениях ядра полностью ионизованных атомов 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 твёрдых тел в экспериментально доступном диапазоне Д. в. При Д. в. до 30—50 кбар исследуются вещества во всех агрегатных состояниях. При больших Д. в. главным объектом физических исследований является твёрдое тело.

Физические свойства индивидуального вещества в твёрдом состоянии могут быть разделены на три основные группы. К 1-й группе относят свойства, связанные с т. н. явлениями на молекулярном уровне: движением атомов (молекул), точечных дефектов в кристаллах (См. Дефекты в кристаллах), дислокаций (См. Дислокации) и т. д. Этими явлениями определяются, например, Диффузия, фазовые переходы (См. Фазовый переход), разрушение под действием механических нагрузок и ряд др. физических свойств твёрдого тела. Ко 2-й группе относят свойства, определяемые характером основного (невозбуждённого — см. Твёрдое тело) состояния кристалла, т. е. взаимным расположением атомов, средним расстоянием между ними и колебаниями кристаллической решётки при абсолютном нуле температуры: Упругость, Сжимаемость, Электропроводность металлов, Ферромагнетизм. К 3-й группе — свойства, связанные в первую очередь с видом возникающих в твёрдом теле элементарных возбуждений — квазичастиц (См. Квазичастицы)(Фононов, Экситонов и др.) и их взаимодействием (например, зависимость сжимаемости, электропроводности, магнитных эффектов от температуры, магнитного 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. в. и сверхнизких температурах. Микроскопическая теория влияния Д. в. на первые две группы свойств развита недостаточно, но имеется довольно обширный экспериментальный материал.

На рис. 3—6 приведены зависимости от давления объёма (плотности) веществ в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. После снятия Д. в. первоначальный объём газов, жидкостей и твёрдых тел (не содержащих пор и посторонних включений) восстанавливается. Свойство тел обратимо изменять свой объём под давлением называется сжимаемостью или объёмной упругостью. Сжимаемость обусловлена действием межатомных сил и поэтому является важнейшей характеристикой вещества. Наибольшей сжимаемостью обладают газы. Плотность газов под Д. в. в 10 кбар увеличивается в сотни раз (при комнатной температуре), жидкостей в среднем на 20—30%, твёрдых 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 твёрдой фазы. Наименее сжимаемы вещества с наиболее сильной межатомной связью (например, алмаз, а из металлов — тугоплавкие иридий и рений) (рис. 5, 6). При наибольшем достигнутом динамическом Д. в. (Давление высокое3(10⁴ кбар) плотность железа и свинца увеличивается соответственно в 2,5 и 3,3 раза. Простые вещества (химические элементы), имеющие больший атомный объём, имеют и большую сжимаемость. Атомный объём является периодической функцией атомного номера Z элемента (см. Атом). Поэтому с ростом давления периодичность зависимости атомного объёма (и сжимаемости) от Z сглаживается (рис. 7), что отражает изменение строения внешних электронных оболочек атомов и свидетельствует об изменении физических и химических свойств элементов под Д. в.

Увеличение плотности и уменьшение сжимаемости вещества под Д. в. приводит к росту скорости упругих волн (скорости звука): у металлов, ионных кристаллов при 10 кбар — на несколько процентов, у газов — в несколько раз. При динамическом Д. в. 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. в. на определённую величину увеличение вязкости возрастает (рис. 8).

У кристаллических тел Д. в. увеличивает пластичность: при одноосном растяжении (сжатии) разрушение наступает, как правило, после большей деформации, чем при атмосферном давлении. Характер излома малопластичных металлов под Д. в. меняется от хрупкого к вязкому (рис. 9), несколько увеличивается и прочность. Это объясняется тем, что Д. в. способствует залечиванию дефектов строения (микротрещин и др.) в процессе пластического деформирования кристаллических тел. При сдвиге под Д. в. у металлов и ионных кристаллов с ростом давления наблюдается рост сопротивления сдвигу (например, y NaCI 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 твёрдых тел при фазовых переходах под Д. в. (полиморфных превращениях, плавлении).

Из двух кристаллических 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, Bi и Ba, см. рис. 11) при полиморфных переходах используются для градуировки аппаратуры Д. в. (см. ниже). Обычно при снижении Д. в. происходит обратное превращение и вещество возвращается в менее плотную модификацию. Методом рентгеновского структурного анализа (См. Рентгеновский структурный анализ) установлено, что, как правило, под Д. в. образуются структуры, известные для др. элементов и соединений при нормальных условиях. Многие полиморфные превращения осуществляются при совместном воздействии Д. в. и высоких температур. В этих случаях более плотную модификацию часто удаётся сохранить в нормальных условиях, применив закалку под Д. в. 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 кристаллических модификаций и расплава индивидуальных веществ (рис. 12). температура плавления (Т_пл) большинства веществ возрастает с давлением (рис. 13). У NaCI и KCl, которые при атмосферном давлении плавятся при температуре около 800°C, при динамическом сжатии плавление наблюдалось при 3200°C (540 кбар) и 3500°C (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°C. Известны т. н. аномальные вещества (H₂O, Bi, Ga, Ge, Si и др.), у которых Т_пл в определённом интервале Д. в. понижается с ростом давления, т. к. жидкая фаза у этих веществ плотнее соответствующей ей кристаллической модификации. После полиморфного перехода с образованием более плотной кристаллической модификации ход кривой плавления этих веществ становится нормальным (у воды, например, выше 2 кбар,у Bi Давление высокое 18 кбар).

Электрическое сопротивление ряда металлов под Д. в. уменьшается (у Со, Ag, A1 и др. на 15—20% при 100 кбар, см. рис. 14). Качественно это объясняется уменьшением амплитуды колебаний атомов в кристаллической решётке и соответствующим уменьшением рассеяния решёткой электронов проводимости. У щелочных, щёлочноземельных, редкоземельных металлов зависимость электрического сопротивления от Д. в. сложнее (см. рис. 11), что обусловлено изменением под действием давления формы Ферми поверхности (См. Ферми поверхность) и перекрытием энергетических зон твёрдого тела. У полупроводников (См. Полупроводники) и диэлектриков (См. Диэлектрики) при Д. в. 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 (селен 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 водорода вычисленное значение Д. в. появления металлической проводимости составляет Давление высокое(1—2)∙10³ кбар, для гидрида лития Давление высокое(25—30)∙10⁴ кбар, гелия Давление высокое9∙10⁴кбар.Иногда смещение энергетических зон в определённом интервале давлений вызывает обратный эффект, например металлический иттербий в интервале 20—40 кбар ведёт себя как полупроводник, а при дальнейшем повышении Д. в. испытывает полиморфный переход с образованием новой металлической модификации.

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

Способы создания Д. в. Динамические Д. в. получают с помощью взрыва, искрового разряда, импульсного изменения магнитного 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 свинца, сжатых до 1000 кбар, составляет -Давление высокое9∙10³°C, а меди и вольфрама, соответственно, 1500 и 750°C. 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 счёт его «тепловой» составляющей. В изотермическом и изоэнтропийном процессах этого ограничения нет.

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

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

В установках по схемерис. 16, а (типа «цилиндр — поршень») Д. в. создаётся в цилиндре, в который под действием внешней силы вдвигается поршень. В таких аппаратах для передачи Д. в. можно применять твёрдые тела, жидкости и газы. Предел применимости аппаратов типа, изображенного на рис. 16, а, ограничивается прочностью материала поршней из твёрдых сплавов (См. Твёрдые сплавы) и составляет Давление высокое50 кбар.

Д. в., превосходящее предел прочности конструкционных материалов, достигается применением ряда способов усиления конструкций: 1) поддержкой всей установки или наиболее нагруженных её элементов сжатым пластичным веществом или жидкостью; 2) созданием системы напряжений сжатия в поршнях за счёт 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. в аппаратах с цилиндрическими поршнями до 70— 100 кбар.

В аппаратах с коническими или пирамидальными пуансонами реализуются все три способа. Д. в. создаётся 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. твёрдые вещества. На установках такого типа проводились измерения оптического поглощения (через алмазные пуансоны) до 160—170 кбар, эффекта Мёссбауэра до Давление высокое 250 кбар, сжимаемости (рентгеноструктурным методом) и электропроводности до 500 кбар. В двухступенчатых многопуансонных аппаратах было получено статическое давление около 2•10³ кбар,при котором исследовались необратимые изменения плотности стекол.

В камерах с твёрдой сжимаемой средой Д. в. определяется либо расчётным путём (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 твёрдой среде температуры до +1500—3000°C 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 определённой части спектра: алмаза, сапфира, хлористого натрия — 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. в. создаётся либо повышением давления в газах или жидкостях при их нагревании в замкнутом сосуде (в отдельных установках достигнуты Д. в. 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 объёме, получают фиксированное Д. в. (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 твёрдых 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-химических 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., Калинин В. А., Уравнения состояния твёрдых 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.

Рис. 9. Фотографии образцов стали, разорванных при осевом растяжении в условиях различных гидростатических давлений в жидкости, окружающей образец (а — атмосферное давление; б — 8,5 кбар; в — 16,5 кбар). Уменьшающаяся от а к в площадь поверхности разрыва указывает на увеличение пластичности стали с ростом давления.

Рис. 1. Границы областей существования некоторых минералов. Над чертой даны названия фаз высокого давления, под чертой — фаз низкого давления. М — поверхность Мохоровичича под континентами.

Рис. 2. Экспериментально освоенный диапазон давлений и температур: I — прессование в промышленности; II — гидро—термальные процессы; III — гидростатические давления (в газах и жидкостях); IV — диапазон давлений, освоенный к 1950—м гг. (Бриджмен); V — статические давления (до 200 кбар) при высоких температурах (к 1970—м годам); VI — статические давления (до 300 кбар) при сверхнизких температурах; VII — давления, создаваемые ударными волнами (до Давление высокое 104 кбар при температурах свыше 3000° С); VIII — cтатические давления (до Давление высокое 500 кбар) при комнатной температуре.

Рис. 3. Зависимость относительной плотности (δ = ρ/ρ₀) газообразного азота от давления р, где ρ₀ — плотность при 1 am и 0°С.

Рис. 4. Зависимость относительного объёма жидкости от давления.

Рис. 5. Зависимость относительного объёма твёрдых тел от давления.

Рис. 6. Изменение плотности некоторых металлов при ударном сжатии.

Рис. 7. Зависимость атомных объёмов V элементов (в см³/г—атом) от порядкового номера Z: а — при нормальных условиях; б — при давлении 1 Мбар; в — вычисленные данные для 10 Мбар.

Рис. 8. Зависимость вязкости жидкостей от давления при комнатной температуре.

Рис. 10. Изменение объёма (плотности) некоторых простых веществ при полиморфных переходах. Величина вертикальной ступеньки на каждой кривой соответствует изменению объёма при переходе.

Рис. 11. Изменение относительного электрического сопротивления металлов, испытывающих полиморфные переходы при высоких давлениях. Шкала 0—2,0 — для Bi, Pb; шкала 0—5 — для Ba, Fe; шкала 0—100 — для Rb, Ca, Cs.

Рис. 12. Фазовая диаграмма железа. Показаны области существования кристаллических модификаций железа (α,δ,γ и ε) и строение соответствующих элементарных ячеек.

Рис. 13. Зависимость температуры плавления металлов от давления.

Рис. 14. Зависимость относительного электрического сопротивления R/R₀ металлов от давления. Значения R/R₀ отложены по вертикальной оси (R₀ — электрическое сопротивление при нормальном давлении, R — при высоком давлении).

Рис. 15. Изменение температуры Кюри под давлением у различных магнитных материалов: 1 — (MnZn)Fe₂O₄, 2 — La₀, ₇₅ Sr₀, ₂₅MnO₃, 3 — Ni, 4 — сплав Ni—Cu (67%Ni), 5 — алюмель (94%Ni), 6 — Cd, 7 — сплав Fe — Ni(64%Fe), 8 — сплав Fe — Ni(70%Fe).

Рис. 16. Схемы аппаратов высокого давления: а — аппарат «цилиндр — поршень»; б — «наковальни» Бриджмена; в — установка с коническими пуансонами; г — «наковальни», погруженные в пластичную среду, сжатую до меньшего давления; д и е — «тетраэдрическая» и «кубическая» установки (пуансон, обращенный к зрителю, не изображен); отдельно показана форма сжимаемого тела; 1 — пуансон (поршень); 2 — сосуд высокого давления; 3 — сжимаемый образец; 4 — среда, передающая давление. Стрелками показаны направления действия сил.

ДАВЛЕНИЕ ВЫСОКОЕ

Границы Д. в. условны, обычно высокими считают давления р, превышающие нек-рое характерное для данного физ. явления (пли конкретной задачи) значение. Часто Д. в. считают р>0,1 ГПа (св. 103 ат); столь же условно деление Д. в. на высокие и сверхвысокие.

Длительно действующие Д. в. наз. статическими, кратковременно действующие — мгновенными или динамическими. В покоящихся газах и жидкостях Д. в. явл. гидростатическими. При всестороннем сжатии тв. тела в нём возникает т. н. квазигидростатическое Д. в.— сложная система механич. напряжений, к-рые в общем случае изменяются от одной точки среды к другой. Ср. давлением (ср. норм. напряжением) в данной точке тела наз. ср. арифметич. значение норм. напряжений s в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Чем меньше величина напряжений сдвига (t=?sмакс-sмин?) по сравнению со ср. давлением, тем ближе квазигидростатич. Д. в. к гидростатическому. Термином «Д. в.» обозначают как гидростатич., так и квазигидростатич. давление.

В природе статич. Д. в. существуют в осн. благодаря силам тяготения. В земных условиях давление изменяется от атмосферного у поверхности до =3,5
• 102 ГПа в центре Земли. В центре Солнца оно составляет =2
• 107 ГПа, в сердцевине белых карликов предполагается равным 109— 1012 ГПа, а на поверхности пульсара = 1020 ГПа. Динамич. Д. в. возникают, напр., при падении метеоритов, при вулканич. деятельности и тектонич. движениях.

В технике используются (70-е — нач. 80-х гг.) Д. в.= 5—10 ГПа; в науч. экспериментах осваиваются статич. Д. в. до 1—3
• 102 ГПа («мегабарный диапазон»). Динамич. Д. в., полученные при взрыве, достигают 30
• 102 ГПа. Исследования при динамич. давлениях ведутся в диапазоне от 1—2 ГПа до неск. тыс. ГПа. Перекрытие доступных для исследования диапазонов статич. и динамич. Д. в.— важное достижение физики высоких давлений 60—70-х гг.

Действие Д. в. на вещество. Под Д. в. происходит сжатие в-ва (увеличение его плотности; (см. СЖИМАЕМОСТЬ) и энергетически выгодными становятся те направления физ. и хим. процессов, к-рые ведут к уменьшению объёма всех взаимодействующих в-в (при условии сохранения их массы, (см. ЛЕ ШАТЕЛЬЕ — БРАУНА ПРИНЦИП).

Д. в. влияет на скорость (кинетику) процессов, причём оно может как ускорять, так и замедлять их. Ускорение нек-рых хим. реакций наблюдается, напр., в газах и происходит благодаря увеличению частоты столкновений молекул в результате повышения плотности газа, в тв. телах оно может происходить благодаря увеличению дефектности структуры. Замедляются же, напр., нек-рые фазовые превращения в сплавах вследствие уменьшения скорости диффузии, уменьшения равновесной концентрации вакансий. Мн. практически важные процессы при Д. в. проводят при высоких темп-pax, что ускоряет достижение равновесного (энергетически более выгодного) состояния.

При сжатии тела работа силы давления идёт на увеличение энергии тела: внутренней — при изоэнтропийном процессе и свободной — при изотермическом. Статич. сжатие, при к-ром темп-pa быстро выравнивается, относят обычно к изотермич. процессам. Если в результате сжатия темп-ра тела повышается, то в нём развивается большее Д. в., чем при изотермич, сжатии (при одинаковых нач. условиях и относительном изменении объёма).

В конденсиров. фазах различают упругую и тепловую составляющие Д. в. Первая связана с упругим вз-ствием ч-ц при уменьшении объёма тела (т. н. холодное давление рх), а вторая — с их тепловым движением, обусловленным повышением темп-ры при сжатии. При статич. сжатии тепловая составляющая много меньше упругой, при сжатии в сильной ударной волне они сравнимы по величине. Сумма этих составляющих наз. горячим давлением рг.

Уменьшение межат. и межмол. расстояний при сжатии приводит к деформации молекул и электронных оболочек атомов, что приводит к относит. смещению уровней энергии, изменению осн. энергетич. состояния системы, конфигурац. вз-ствия в молекулах и их конформац. состояния. Это проявляется в изменении физ. и хим. свойств в-ва.

При статич. сжатии в пределах неск. ГПа изменяются условия взаимной растворимости газов, плотность газов становится сравнимой с плотностью жидкостей, большинство жидкостей затвердевает при комнатной темп-ре и Д. в. до 3—6 ГПа. Под Д. в. мн. крист. в-ва переходят в более плотные крист. модификации (см. ПОЛИМОРФИЗМ), наблюдаются переходы тв. диэлектриков и ПП в проводящее и сверхпроводящее состояние, изменения постоянной радиоакт. распада, ускоренная полимеризация мономеров, переходы хрупких материалов в пластич. состояние. Интерес представляют также физ. и хим. эффекты, возникающие при одноврем. действии Д. в. и деформаций сдвига.

Для мн. научных и практич. целей часто необходимо сохранить при норм. условиях ту фазу в-ва, к-рая была получена при статич. или динамич. Д. в., однако, как правило, в-во при снижении давления претерпевает обратный переход. Иногда всё же удаётся сохранить фазу Д. в. в метастабильном состоянии, для этого снижают сначала темп-ру сжатого в-ва, а затем давление.

При статич. Д. в. до 3—5 ГПа исследуются в-ва в газообразном и конденсиров. состояниях, при больших Д. в.— в осн. тв. тела. В физике твёрдого тела, наряду с феноменологич. описанием поведения в-в, определением крист. структуры и построением диаграмм состояния, при Д. в. исследуются свойства в-ва, связанные с явлениями на «молекулярном уровне». К ним относятся св-ва, обусловленные движением атомов, молекул, точечных и линейных дефектов крист. структуры и т. д. (диффузия, кинетика фазовых переходов, деформация и разрушение под действием механич. нагрузок и др.); св-ва, определяемые взаимным расположением атомов, расстоянием между ними и колебаниями крист. решётки (сжимаемость, упругость, электропроводность, ферромагнетизм); св-ва, связанные с видом возникающих в тв. теле элем. возбуждений (квазичастиц) и их вз-ствием (напр., зависимость сжимаемости, электропроводности, магн. эффектов от темп-ры, магн. поля, эл.-магн. излучения и др. внеш. параметров). В совр. физике тв. тела значит. интерес представляют исследования свойств в-ва в условиях совместного действия Д. в., низких и сверхнизких темп-р, сильных магн. полей; в таких исследованиях получают, в частности, существ. информацию об электронных св-вах металлов. Эксперименты при Д. в. дают сведения о зависимости плотности в-ва от давления и темп-ры, необходимые для построения уравнений состояния в «нетеоретическом» диапазоне (до Д. в.=104 ГПа).

При Д. в.=1011 ГПа плотность r в-ва становится в 10 и более раз выше плотности тв. тела при норм. условиях, а зависимость r от рх приближается к предельной, одинаковой для всех в-в: r5/3 = рх. При таких Д. в. ядра полностью ионизов. атомов могут сближаться и вступать в яд. реакции. При достаточных Д. в., но темп-pax ниже вырождения температуры, в-во переходит в вырожденное состояние, при к-ром энергия и давление не зависят от темп-ры (см. ВЫРОЖДЕННЫЙ ГАЗ).

Во 2-й пол. 20 в. с помощью статич. Д. в. получены важные научные результаты, мн. из к-рых нашли широкое практич. применение. Синтезированы алмаз и алмазоподобные модификации нитрида бора (р?4 ГПа и t?1100°С), получены плотные крист. модификации важных породообразующих минералов (кремнезёма, оливина), зафиксирован переход диэлектриков в проводящее и сверхпроводящее состояние, установлены диаграммы состояний для мн. одно- и многокомпонентных систем. Д. в. используются при механич. обработке металлов и при полимеризации. Динамич. Д. в., возникающие при взрыве, используют для получения при сильном сжатии плотных модификаций, сохраняющихся при норм. условиях, для сварки металлов, для исследования изменения плотности в-в и фазовых переходов в них, в особенности при таких высоких давлениях и темп-pax, какие ещё недоступны статич. методам.

Получение и измерение Д. в. Динамич. Д. в. получают с помощью искрового разряда, яд. и хим. взрывов, импульсного магн. поля (напр., в горячей плазме), одноврем. действия взрыва и магн. поля, инерц. методов (сжатия тела при торможении им другого тела, летящего с большой скоростью). Для измерения динамич. Д. в. применяются пьезо- и эл.-магн. датчики, манганиновые манометры, методы оптич. регистрации.

Статич. Д. в. получают тепловыми или механич. методами. В первых Д. в. создаётся либо нагреванием жидкости или газа в замкнутых сосудах (в газах т. о. получены давления до 3—4 ГПа), либо охлаждением жидкостей, увеличивающих свой объём при затвердевании (напр., замораживая воду, можно получить фиксированные Д. в. ок. 0,2; ГПа).

Механич. методы получения Д. в. явл. основными; в них используют насосы и компрессоры, к-рыми сжимаемые газы или жидкости нагнетают в замкнутый объём или проточную систему (гидравлич. компрессором получены Д. в. до 1,6 ГПа), и аппараты, в к-рых масса сжимаемого в-ва остаётся постоянной (рис., а) или почти постоянной (рис., б — з), а занимаемый ею объём уменьшается под действием внеш. силы, создаваемой гидравлич. прессами (рис., а, б, в, д, е, ж, з), сжатой жидкостью (рис., г), а в миниатюрных устройствах (типа показанного на рис. д) — пружиной.

Типы аппаратов, применяемых для создания статических высоких давлений. Сжимаемое в-во (рабочее тело, участки с нанесёнными точками) располагается между поршнями (пуансонами), к-рые приводятся в движение в направлениях, указанных стрелками; зачернённые участки — деформируемые прокладки, служащие для уплотнения разъёмов между пуансонами, создания поддерживающих усилий и позволяющие пуансонам перемещаться. Для исследований при высоких темп-pax применяют металлич. и графитовые электронагреватели, для исследований при низких темп-pax всю камеру помещают в криостат. а — классич. камера с цилиндрич. поршнями, применяемая для сжатия газов, жидкостей и тв. тела; б — в — камеры для сжатия тв. тел (жидкости и газы можно помещать в сжимаемое тв. тело в ампулах); б — камера с криволинейными или конич. пуансонами и соответствующей формой сосуда Д. в.; в — шестипуансонный (показаны четыре пуансона) аппарат с кубич. формой рабочего тела; г — двухступенчатый многопуансонный аппарат типа «разрезная сфера». Усилие, равномерно прикладываемое к пуансонам первой ступени, передаётся большему числу пуансонов ступени Д. в., в свою очередь передающих его рабочему телу, к-рое в данном случае имеет форму октаэдра; д — двухпуансонные «наковальни» из алмазов ювелирного качества (позволяют проводить рентгеноструктурные и оптич. исследования под Д. в., нагрев с помощью лазера и т. д.); е — двухпуансонные «наковальни» с лункой, имеют увеличенный объём рабочей камеры по сравнению с камерой, представленной на рис. 9; ж и з — многопуансонные системы со скользящими пуансонами; a — двухступенчатый аппарат. В мегабарном диапазоне Д. в. применяются камеры типа г и д.

Аппараты Д. в., схемы к-рых приведены на рис. б—з, позволяют получить в них Д. в., превосходящее прочность на сжатие (при норм. условиях) материалов, из к-рых они изготовлены (высокопрочные стали, тв. сплавы на основе карбида вольфрама, природные и синтетич. алмазы; для спец. измерений используются немагнитные и (или) прозрачные для эл.-магн. излучения материалы). Мн. исследования проводятся на образцах в виде тонких (=10-6м) плёнок, сжатых до давлений = 10—100 ГПа.

Д. в. в жидкостях и газах может быть измерено манометрами (для абс. измерений применяют поршневые манометры), в тв. среде в аппаратах типа цилиндр — поршень (рис., а) Д. в. может быть определено по величине приложенной к поршням силы (с поправкой на трение); в др. типах аппаратов значит. часть внеш. усилия расходуется на уплотнение разъёмов между пуансонами и сжатие пластичных прокладок, поэтому квазигидростатич. Д. в. определяется косвенными методами: по изменению параметров крист. решётки известного в-ва (см. РЕНТГЕНОВСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ), по скачкам электросопротивления, сопровождающим полиморфные переходы в реперных в-вах, по остаточным явлениям сжатия (увеличению плотности стёкол, образованию плотных модификаций); в аппаратах с прозрачными пуансонами применяется также оценка величины Д. в. по сдвигу частоты линии люминесценции рубина (этот метод особенно эффективен в «мегабарном» диапазоне Д. в.). До создания абс. шкалы давлений применяемые методы измерения Д. в. явл. в осн. эмпирическими и основанными на экстраполяции опытных данных.