Давление и его влияние на вещество

на страницах сайта 

www.electrosad.ru

 
Дайте мне точку опоры и я переверну мир.
И. Ньютон

 

Вещество́ — форма материи, в отличие от поля, обладающая массой покоя. Вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны. Последние два образуют атомные ядра, а все вместе — атомы, молекулы, кристаллы и т.д.
Каждому веществу присущ набор специфических свойств – объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и тем самым позволяют отличить его от всех других веществ.

Поле, в отличие от веществ, характеризуется непрерывностью, известны электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля различных элементарных частиц.

Википедия.
 

 
 

Многие просто не задумываются, другие что-то слышали про то, что воздух (газы) сжимаются, что жидкости не сжимаются, а твердое — на то оно и твердое чтобы не сжиматься.

 

Так вот сжимается все!

 

Дело только в давлении которое прикладывается к веществу.

 

Что мы знаем о веществе и как оно ведет себя под давлением?

Из раздела физики "МЕХАНИКА" известно понятие сжимаемость вещества.

 

ΔV = -V*β*ΔP

 

где:

ΔV - изменение объема,

V - исходный объем,

β - сжимаемость вещества (модуль объемной упругости K=1/β),

ΔP - прикладываемое давление.

Знак минус говорит об уменьшении объема.

На первый взгляд, физика не отрицает возможности сжатия вещества.

 

Данное явление изучено в отношении газов в пределах технически освоенных давлений, но пока мало изучено для твердых тел и жидкостей. Проблема в величине используемых для сжатия давлений.

 

Любознательные слышали, что в 60 годах прошлого века Российские ученые синтезировали алмазы из графита. Правда алмазы технические — мелкие, но по своими физическим свойствам это именно алмазы. Эти алмазы применяются в промышленности для изготовления алмазного инструмента.

Их делают из графита плотность которого около 2,23 г/см3. Один из способов синтеза алмазов использует сжатие под большим давлением с нагревом, в результате в сжатом (находящимся по давлением более 10 т/см2) графите между атомами углерода (С) образуются новые связи. В результате получаем кристаллическую решетку характерную для алмаза. Плотность упаковки атомов С в этой решетке выше в1,57 раза, поэтому плотность алмаза 3,51 г/см3. Графит имеет плоскую кристаллическую решетку форма которой может быть от гексагональной (шесть атомов углерода в вершинах - шестигранной) до тригональной (три атома С в вершинах — трехгранной).

После синтеза кристаллическая решетка перестраивается и графит превращается в алмаз, каждый атом углерода которого имеет связи с тремя соседними атомами, а сами атомы

« С (углерода) расположены по вершинам куба, в центрах граней и в центрах 4 несмежных октантов». Алмаз можно представить как одну гигантскую молекулу.

 

При этом физические свойства ГРАФИТА существенно отличаются от АЛМАЗА, получается совершенно новый материал.

 

Цитата, БСЭ.
Необходимое для синтеза давление создаётся мощными гидравлическими прессами (усилием в несколько и десятки Мн, или в сотни и тыс. тс, в камерах с твёрдой сжимаемой средой . В сжимаемой среде располагается нагреватель, содержащий реакционную смесь, состоящую из графита (или др. углеродсодержащего вещества) и металла, облегчающего синтез Алмаза. После создания нужного давления смесь нагревается электрическим током до температуры синтеза, который длится от нескольких секунд до нескольких часов (обычно нескольких минут достаточно для образования кристаллов с линейными размерами в десятые доли мм). Для сохранения полученных Алмазов в нормальных условиях (в метастабильном состоянии) прореагировавшая смесь охлаждается до комнатной температуры, а затем снимается давление.

Графит может перестраиваться в алмаз и наоборот при давлении выше 15 Кбар (15,3 103 кг/см2) при абсолютном нуле, и порядка (150-350) 103 кг/см2 при температурах 3800 -1200 град.С. Реально синтез при повышенных температурах происходит при давлениях сотни тысяч кг/см2. Так и синтезировался алмаз в 60 годах прошлого века.

 

Сейчас существует еще несколько способов синтеза.

  1. Синтез ультра дисперсионных алмазов осуществляется детонацией твердых взрывчатых веществ (ВВ) в инертной атмосфере. Во фронте детонационной волны за счет разрыва химических связей происходит мгновенное выделение громадной энергии. В условиях высоких температур (3000-4000)К и давлений (20-30)ГПа (в районе 2,55 105 кг/см2 ) за доли микросекунды из выделившегося свободного углерода ВВ конденсируется высокодисперсная углеродная среда. В зависимости от условий детонации она содержит (40-60) масс% ультрадисперсного алмаза . Условия детонационного синтеза не обеспечивают полного превращения углерода ВВ в алмазную фазу. Выход углерода составляет (4-10)% от массы ВВ.

  2. Один из них состоит в подготовке высоко углеродистого сплава никель-марганец и его охлаждении под давлением в формах из твердого сплава (типа ВК). Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения металлической матрицы в смеси кислот.

Специалисты высказывают предположение, что при высоких давлениях (более 106 кг/см2) существуют более плотные (может быть — металлические) модификации С.

Рассказанное выше это наглядный пример действия давления на вещество, известное уже сейчас. Под действием сверхвысоких давлений в веществе перестраиваются молекулярные и межатомные связи, в результате вещество уплотняется (графит 2,23 г/см3 — алмаз 3,51 г/см3 ) и приобретает новые физико-химические свойства. Оставаясь по сути тем же исходным химическим веществом.

Имеется информация, что при высоком давлении такие газы как кислород и водород переходят в твердую фазу с образованием кристаллической решетки. При этом плотность металлического водорода превышает плотность твердого молекулярного (0,59 г/см3 против 0,089 г/см3). А водород приобретает свойства металла. Аналогично может вести себя и кислород. Это происходит при давлениях превышающих (2-4) 106 кг/см2 при температуре 0 град. К (близких к абсолютному нулю). Есть вероятность, что сжатые до появления электропроводности газы могут быть устойчивыми в условиях нашей окружающей среды.

Сейчас известно, что металлы уже в доступном нам диапазоне давлений уменьшаются в объеме. Растет их плотность. Налицо признаки их сжатия. Правда, насколько мне известно, это уменьшение объема незначительно, но достаточно чтобы его измерить.

 

Химические элементы могут образовывать устойчивые (устойчивые при определенных физических условиях) комбинации — химические соединения.

Как исходные химические элементы, так и результирующие соединения могут быть газообразными, жидкими и твердыми — так мы их ощущаем своими органами чувств.

 

Известно, что газы обладают хорошей сжимаемостью. В нижней части применяемом в современной технике диапазоне давлений они сжимаются без изменения своего состояния.

Можно представить следующую картину влияния высоких давлений на вещество.

С ростом давления при сжатии вещества происходит:

  • Для газов это происходит пропорционально до давлений при которых молекулы газов не исчерпывают межмолекулярные зазоры, газы при этом нагреваются.
    Пример: водород — газ, жидкость, твердый. Последние могут существовать если сжатый водород охладить.

  • Для твердых материалов с кристаллической структурой с ростом давления до величин соизмеримых с силами связей в кристаллической решетке, состояние материала не изменяется. Но при превышении этого давления* происходит разрушение связей в кристалле и атомы сближаются. Причем возможны более плотные устойчивые кристаллические образования для данного материала, как например у углерода (графит — алмаз). При этом энергия кристаллических связей перераспределяется в объеме вещества. В этом диапазоне давлений возможен синтез новых материалов, устойчивых при нормальных условиях, с новыми свойствами.

* - при которых воздействующие силы превышают модуль объемной упругости для данной структуры.

В обоих рассмотренных выше случаях, и далее, для изменения структуры вещества при сжатии должно выполняться условие — прикладываемое к нему сила должна превышать силы межатомных связей молекул или кристаллической решетки. Эти силы для различных веществ различны и их диапазон достаточно широк. Поэтому в реальных смесях процесс происходит в достаточно широком диапазоне давлений. Процесс захватывает сначала вещества с малыми энергиями связи и далее до самых высоких. В пределах этого диапазона возможны образования новых межатомных структур (более плотные кристаллы, молекулы), в том числе стабильных.

 

При дальнейшем росте давления и достижении некоторой его величины продолжается дальнейшее сжатие вещества разрушение молекулярных и кристаллических связей. Результатом является полное разрушение кристаллических решеток, межатомных связей и переход его в аморфное состояние, когда вещество состоит из смесей отдельных атомов.

 

Продолжая повышать давление и сжимая, уже вещества состоящие из отдельных атомов, приходим к некоторому состоянию, когда межатомное пространство сократится до минимума, вплоть до соприкосновения их электронных оболочек. Электроны внешних оболочек могут отрываться под действием температуры, перемещаться в межатомном пространстве и вещество становится электропроводным превращаясь в тяжелую плазму. Температура вещества повышается. Плотность вещества растет.

 

Дальнейший рост давления приводит к продолжению сжатия вещества и к дальнейшему сближению, пока атомов - хоть и теряющих свои электронные оболочки, находящихся в ионизированном состоянии и по свойствам более похожего на плазму. Одновременно существуют свободные электроны и ионы (атомы потерявшие часть своих электронных оболочек вплоть до полной потери.). Плотность и температура вещества растет. Сжатое вещество еще обладает свойствами атомов.

 

Здесь и далее не говорим о величине давления и совершаемой работе. Поскольку в масштабах космоса существуют давления практически любой величины, и нас интересует принцип воздействие давления на вещество. В принципе могут посчитать давления, по крайней мере на начальном участке, на порядок — два превышающих давления применяемые при синтезе алмазов. Эти сверхвысокие давления по силам современной технике, их исследования принесут новые открытия и конструкционные материалы.

Чтобы представить, каков хотя бы порядок величины давления может существовать в природе, посмотрите рисунок 1:

Рисунок 1.

На Рис.1 условно показано какое давление может создать столб четырех веществ (взятых для примера) высотой h км.
Так мог выглядеть график если бы вещество не сжималось.

 

Продолжим рассматривать, как влияет дальнейший рост давления на вещество.

 

Вещество находится в состоянии: свободные электроны и голые ядра атомов. При дальнейшем росте давления, когда ядра сближаются и сливаются, преодолеваются силы внутриядерных связей. Причем сначала сливаются ядра элементов, где эта энергия (силы) минимальны и их можно преодолеть при меньших давлениях и энергозатратах. Результатом является разрушение ядер атомов и образование субстанции содержащей частицы из которых построены ядра, электроны. Происходит расслоение вещества по массам составляющих частиц. Это сверхплотное вещество разогретое до сверхвысоких температур.

 

Дальнейший рост давления приводит к полному разрушению ядер. Тяжелые частицы содержащиеся в ядрах вытесняют электроны за пределы их сосредоточения. Этим самым как бы происходит сепарация (разделение) вещества на тяжелые и более легкие и подвижные фракции. Электроны и протоны, нейтроны. Энергия связи, ранее удерживающая частицы в ядре, передаются им и в результате температура среды повышается.

 

Общая тенденция показана на рис.2

Рисунок 2.

 

И так можно продолжать до бесконечности (где конец этому процессу покажет далекое будущее).

 

Процесс сжатия с ростом давления происходит циклически, что определяет слоевую структуру и обеспечивает устойчивое состояние вещества в слое.

С учетом сжимаемости вещества и рисунок 1 будет выглядеть несколько иначе (он будет подобен рис.2), да и величина давления будет существенно выше.

 

Поясню график показанный на рис.2.

Участки с малым наклоном (увеличением плотности - ρ) - характеризуются условиями при которых внешние силы меньше сил межатомной связи (в кристаллических решетках и молекулах), сил кулоновского отталкивания, сил внутри ядерных связей нуклонов.

Участки с большим наклоном (увеличением плотности - ρ) - характеризуются условиями при которых внешние силы превысили силы препятствующие сближению частиц вещества.

Следует отметить, что участок I имеет наибольшую протяженность по шкале давлений (ΔP), и каждый последующий укорачивается.

 

Дополнительным подтверждением сжимаемости вещества является его плотность.


Ее оценки, по разным источникам, приведены в Таблице 1.

 

Объекты Плотность вещества
кг/м3
Примечание
Планеты
Солнечной системы
690 — 5517  
Земля 5515  
Земля поверхность 2700  
Земля в ядре > 1,6*104 104 - 105
Солнце средняя 1409  
Ядро Солнца 2.9·107 K. A. Khaidarov (Л.1)
Плотность вещества в ядре атома 1011 (Л.2)
Нейтронная звезда > 4 - 8*1017 (Л.3)
«Черная дыра» > 1*1019 встречается оценка 20 кг/м³

Таблица 1.

 

Приведенные данные показывают, вещество в условиях сверх высокого давления может иметь сверх плотное состояние. Плотность его, по крайней мере на 14 - 16 порядков, превышает плотность самых тяжелых минералов на поверхности Земли и на 8 порядков плотность вещества в ядре атома.

Конец этому процессу там, где кончается вещество и остается только более широкое понятие материя.

Известным нам примером конечного (или близкого к нему) состояния является космический объект под названием «черная дыра», плотность вещества в которой по некоторым оценкам больше 1*1019 см. Таб.1.

Вещество попадающее в зону притяжения массивного сверхплотного ядра "черной дыры", притягивается им, на пути к ее поверхность проходит все описанные выше степени сжатия, превращаясь на ее поверхности, возможно, в сгусток исходных частиц - кирпичиков мироздания.

 

P.S.

По причинам не очень понятным, часто когда пишут о ядре, по крайней мере о Земле, пишут о железном или твердом ядре .
Нейтронные звезды отождествляют с самыми плотными образованиями.

Но железо не самое тяжелое вещество, а нейтроны не самое плотное.

А понятие твердое - это просто механические характеристики вещества находящиеся в определенном диапазоне.

Но можно ли сказать о веществе, даже сверх плотном что оно твердое - если его температура намного превышает сотни миллионов градусов.

 

Мир бесконечен и кто знает где предел плотности вещества?

Но это явно не железо и нейтронные звезды.

Поэтому можно сказать -
"Имея силу, можно сжать любое вещество"

Литература:

  1. Karim A. Khaidarov, СТРОЕНИЕ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ.
  2. СВЕРХПЛОТНАЯ ЯДЕРНАЯ МАТЕРИЯ (БОГДАНОВ С. Д. , 1998), ФИЗИКА, http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/574.html
  3. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Нейтронная звезда.

А. Данилович  2008 г.

  Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

 

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.©

2002-2012