| вое возбуждение электронов.
Физич. природа Д. волн (звуковых, ударных, электромагнитных) рассмотрена отдельно - в ст. Давление звука. Ударная волна, Давление света. измеряют д. манометрами, оарометрами, вакуумметрами, а также различными давления датчиками.
Таблица перевода единиц давления
н/м2
бар
кгс/см2
атм
мм рт. ст.
мм вод. ст.
1 н/м2 (Паскаль)
1
10-5
1, 01972*10-5
0, 98692*10-5
750, 06*-5
0,101972
1 бар =106 дин/см2
105
1
1,01972
0,98692
750,06
1, 01972*104
1 кгс/см2=1 ат
0, 980665*105
0,980665
1
0,96784
735,56
104
1 атм
1, 01325*105
1,01325
1,0332
1
760
1, 0332*104
1 мм рт. ст. (тор)
133,322
1,33322*10-3
1 , 35951*10-3
1, 31579*10-3
1
13,5951
1 мм вод. ст.
9,80665
9, 80665*10-5
10-4
9, 67841*10-5
7, 3556*10-4
1
Единицы Д. имеют размерность силы, делённой на площадь; в Международной системе единиц единица Д.- н/м2, в МКГСС системе единиц - кгс/см2. Существуют внесистемные единицы Д.: атмосфера физич. (атм), атмосфера тех-нич. (ат), бар, а также мм вод. ст. и мм рт. ст. (тор), с помощью к-рых измеряемое Д. сравнивают с давлением столба жидкости (воды, ртути); см. табл. В США и Великобритании Д. выражают в lbf/in2 (фунт-сила на квадратный дюйм), в pdl/ft2 (паундаль на квадратный фут), в inH2O (дюймах вод. ст.), в ft H2O (футах вод. ст.), в in Hg (дюймах рт. ст.) и др. Ilbf/in2 = 6894,76 н/м2; Ipdl/ft2 = 1,48816 н/м2; lin H2O = = 249,089 н/м2; 1ft H2O =2989,07 н/м2; lin Hg =3386,39 и/м2. Л.Д.Лившиц.
ДАВЛЕНИЕ АТМОСФЕРНОЕ, см. Атмосферное давление.
ДАВЛЕНИЕ ВЫСОКОЕ, в широком смысле - давление, превышающее атмосферное; в конкретных технич. и науч. задачах - давление, превышающее характерное для каждой задачи значение. Столь же условно встречающееся в лит-ре подразделение Д. в. на высокие и сверхвысокие.
Длительно действующее Д. в. наз. 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 к-рых не зависит от ориентировки поверхности и (с точностью до давления, обусловленного собств. 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 механич. напряжений, к-рые в общем случае изменяются от одной точки тела к другой. Средним давлением (средним нормальным напряжением) в данной точке тела наз. среднее ариф-метич. 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 наз. квазигидростатическим. Чем меньше величина напряжений сдвига по сравнению со средним нормальным напряжением, тем ближе квазигидростатич. Д. в. к гидростатическому. Термин "Д. в." употребляется для обозначения как гидростатич., так и квазигидростатич. давления.
В физике в качестве единицы Д. в. применяют обычно килобар (1 Кбар = = 108 н/м2 = 1019,7 кгс/см2).
В природе статич. Д. в. существуют в первую очередь благодаря действию тяготения (гравитации). Гравитационное поле Земли создаёт в горных породах статич. давление, изменяющееся от атмосферного в поверхностных слоях. до ~3,5-103 кбар в центре планеты. Большая часть Земли находится под действием статич. Д. в. и высоких темп-р, достаточных для изменения физ. и хим. свойств минералов и минерального состава горных пород (рис. 1). Статич. Д. в. в центре Солнца составляет - 107 кбар, а в центре звёзд белых карликов оно предполагается равным 1010 -1012 кбар.
Динамич. Д. в. в природных условиях возникает при взрывах, падении метеоритов, вулканич. деятельности и тектонич. движениях.
В технике Д. в. до 3 кбар были получены при сгорании пороха в огнестрельном оружии ещё в 13-14 вв. Статич. Д. в. такого же порядка были достигнуты с помощью насосов и прессов только во 2-й пол. 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 статич. 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 статич. Д. в. до ~ 2*103 кбар и динамич. до 104 кбар (рис. 2), а при подземных взрывах до ~3*104 кбар.
Область применений Д. в. очень широка. В сочетании с высокой темп-рой Д. в. используются в металлургии (прокатка, ковка, штамповка, горячее прессование), в керамич. произ-ве, при синтезе и обработке полимеров и в др. отраслях пром-сти. При Д. в. синтезируют вещества и осуществляют хим. реакции, к-рые в иных условиях затруднены или невозможны, напр. синтез аммиака (до 1 кбар, 400°С), синтез метилового спирта (до 0,5 кбар, 375°С), гидрогенизация углей (до 0,7 кбар, 500°С) и др. Большое пром. значение имеет гидротермальный синтез крупных и совершинных кристаллов кварца (квар, неск. сотен град.), применяемых как сырьё для оптич. изделий и пьезоэлектрических датчиков.
Рис. 1. Границы областей существования некоторых минералов. Над чертой даны названия фаз высокого давления, под чертой - фаз низкого давления. М - поверхность Мохоровичича под континентами.
[0725-3.jpg]
[0725-4.jpg]
Рис. 2. Экспериментально освоенный диапазон давлений и температур: 1 - прессование в промышленности; 2 - гидротермальные процессы; 3 - гидростатические давления (в газах и жидкостях); 4 - диапазон давлений, освоенный к 1950-м гг. (Бриджмен); 5 - статические давления (до 200 кбар) при высоких температурах (к 1970-м годам); 6 - статические давления (до300 кбар) при сверхнизких температурах; 7 - давления, создаваемые ударными волнами (до ~ 104 кбар при температурах свыше 3000° С); 8-статические давления (до~ 500 кбар) при комнатной температуре.
Интерес к физике и химии Д. в. стимулируется потребностями совр. техники в материалах со спец. свойствами (в частности, абразивных, полупроводниковых и др.), а также потребностями в создании прогрессивных методов обработки металлов (см., напр., Прессование). Многие направления исследований при Д. в. определяется интересами теории твёрдого тела и геофизики, развитие к-рых 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 пол. 20 в. в области статич. давлений относится имеющее большое науч. и практич. значение искусств. получение алмаза (выше 50 кбар и 1400°С), синтез боразона (выше 40 кбар и 1400°С) - соединения, по твёрдости близкого к алмазу, а также получение плотных кристаллич. модификаций кремнезёма (SiO2) - коусита (от 35 кбар и 750°С и выше) и стишовита (от 90 кбар, 6000С и выше), представляющих большой интерес для наук о Земле. В области динамич. Д. в.- мирное и военное использование взрыва, исследование изменения плотности и фазовых переходов в ряде веществ при Д. в. и темп-pax, недоступных статич. Д. в.
Поведение веществ в условиях Д. в. Непосредств. результатом действия Д. в. является сжатие вещества (увеличение его плотности). Под Д. в. энергетически выгодным становится то направление физ. и хим. процессов, к-рое ведёт к уменьшению объёма всех взаимодействующих веществ (при условии сохранения их массы, см. Ле Шателье - Брауна принцип).
Д. в. влияет и на скорость (кинетику) физ. и хим. процессов, причём Д. в. может их как ускорять, так и замедлять. Ускорение нек-рых хим. реакций наблюдается, напр., в газах (благодаря увеличению частоты столкновений между молекулами в результате увеличения плотности), а замедление, напр., нек-рых фазовых превращений - в сплавах (из-за уменьшения скорости диффузии, уменьшения равновесной концентрации вакансий и т. д.). Поэтому многие практич. важные процессы при Д. в. проводятся при высокой темп-ре, к-рая увеличивает подвижность частиц и тем самым ускоряет достижение равновесного состояния.
При сжатии вещества действующие на него извне силы давления совершают механич. работу и увеличивают тем самым энергию тела - внутреннюю, если не происходит теплообмена с окружающей средой (изоэнтропийный процесс, сопровождающийся нагреванием тела), или свободную, если темп-ра сжимаемого тела не меняется (изотермический процесс). На практике к изотермич. часто относят процессы статич. сжатия, при к-рых темп-ру тела можно считать постоянной. Если в результате сжатия темп-pa тела повышается, то в нём развивается большее давление, чем при изотермич. 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 (РХ), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объёма тела, 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 обе составляющие сравнимы по величине, их сумму называют "горячим" давлением (рr).
Уменьшение межатомных (межмоле-кулярных) расстояний при сжатии приводит в конечном счёте к деформации молекул и внешних электронных оболочек атомов, к изменению характера межатомных взаимодействий, что неизбежно сказывается на физ. и хим. свойствах вещества. Напр., при статич. сжатии в пределах неск. кбар или первых десятков кбар изменяются условия взаимной растворимости газов (см. Растворы); плотность газов сравнивается с плотностью жидкостей, жидкости затвердевают (при комнатной темп-ре и давлении до 30-50 кбар); многие кристаллич. вещества испытывают превращения с образованием новых кристаллич. 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 ~ 1012 кбар, зависимость плотности р от "холодного" давления приближается к предельной и для всех веществ оказывается одинаковой:
р5/3~рx. 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 темп-рак ниже темп-ры вырождения вещество переходит в вырожденное состояние, при к-ром энергия и давление не зависят от темп-ры (см. Вырожденный газ. Вырождения температура).
Ниже описываются нек-рые 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. гл. объектом физ. исследований является твёрдое тело.
Физ. 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, дислокаций и т. д. Этими явлениями определяются, напр., диффузия, фазовые переходы, разрушение под действием механич. нагрузок и ряд др. физ. 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 кристаллич. решётки при абс. нуле темп-ры: упругость, сжимаемость, электропроводность металлов, ферромагнетизм. К 3-й группе - свойства, связанные в первую очередь с видом возникающих в твёрдом теле элементарных возбуждений - квазичастиц (фононов, экситонов и др.) и их взаимодействием (напр., зависимость сжимаемости, электропроводности, магнитных эффектов от темп-ры, магнитного поля, электромагнитного излучения и др. внешних параметров). Теоретич. описание последней группы свойств возможно лишь для тел, имеющих темп-ру, близкую к абс. нулю, поэтому большое значение имеют опыты при Д. в. и сверхнизких температурах. Микроскопич. 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 наз. 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 темп-ре), 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 темп-рах) к сжимаемости твёрдой фазы. Наименее сжимаемы вещества с наиболее сильной межатомной связью (напр., алмаз, а из металлов - тугоплавкие иридий и рений) (рис. 5, 6). При наибольшем достигнутом динамич. Д. в. (~3*104 кбар) плотность железа и свинца увеличивается соответственно в 2,5 и 3,3 раза. Простые вещества (хим. элементы), имеющие больший атомный объём, имеют и большую сжимаемость. Атомный объём является периодич. 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 свидетельс |
