Давление высокое
Давле'ние высо'кое, 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 == 108н/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 ~ 3,5•103кбар 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 ~ 107 кбар, а в центре звёзд белых карликов оно предполагается равным 1010 —1012кбар.
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 ~ 2•103кбар и динамические до 104 кбар (рис. 2 ), а при подземных взрывах до ~3 (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 (~1 кбар, несколько сотен град.), применяемых как сырьё для оптических изделий и пьезоэлектрических датчиков .
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).