Большая Советская Энциклопедия (ДА) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (читать книги .txt) 📗
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 (px ), 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 обе составляющие сравнимы по величине, их сумму называют «горячим» давлением (pr ).
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 ~ 1012кбар, зависимость плотности r от «холодного» давления приближается к предельной и для всех веществ оказывается одинаковой: r5/3~px . 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 , дислокаций и т. д. Этими явлениями определяются, например, диффузия , фазовые переходы , 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 (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. (~3 (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.
