Высокое давление — создание и измерение

9

ВЫСОКОЕ ГАВЛЕНИЕ-СОЗГАНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ

Свойства вещества зависит от расстояний между его atomами. При уменьшении механических расстояний увеличивается плотность вещества, изменяются электрические, оптические, механические свойства, кристаллическая структура. Изучая свойства жидых веществ, мы глубже узнали природу и характер сил, действующих между atomами.

Как сбызить atoms в веществе?
Возьем кубик из вещества и начнем сжимать его под прессом. В результате сжатия вдоль одной оси мы вызовем в этом кубике деформацию, расстояние между его atomами будет уменьшаться. Однако значительные деформации мы не получим. После достижения предела прочно иступит разрушение.

Как же сбызить atoms в веществе еще сільнее? Для этого нужно сжимать вещество со всех сторон, то есть прикладывать одинаковые силы одновременного ко всем сторонам нашего кубика, подвергнуть его всестороннему высокому давлению. В этом случае нам удостраться atoms в веществе без разрушения, изменить его физические свойства, заставить протекать по-другому химическе процессы.

Диапазон давления в природах огромен. На дне воздуханого океана мы живем при давлении в одну атмосферу. На барбанные перепонки ныряльщика давит столб воды и для глубоководного погружения нужны специальные скафандры. По расчетам ученых-геофизиков давление в центре Земли около 4 миллионов atmosфер.

Утром вы открываете водопроводный краан, и вода с сильной струей льется в умывалник. Давление воды в водопроводе 1,5—2 atmosферы. Завтрак приготовлен на плите, к которой подведен газ под давлением 1,01 амп.

На улице mismo вас проносится троплейбусы, автовусы. В их шинах воздуха скаат до 2,5—4 амп. В цилиндрах motoра стремительной «Волги» давление достигает 30—50 амп. Турбины электростанций приводятся в действие паром при давлении 200—500 амп. На заводах химического промышленности получают полизтилен, скимая газ этилен до давления 1000 амп, синтезируют аммиак из азота и водорада при давлении 1500 амп. При превращении графига в алмаз давление достигает 100 000 амп, а температура 2000 градусов.

Определям давление как силу, с которой газ или жидкость, заключенные в резервуар, действуют на единицу площади стенки этого резервуара:

$$P = \frac{F}{S}.$$

По этой простой формуле можно установить единицы для измерения давления. Положив силу равной одной дине, а площадь — одному квадратному сантиметру, мы получим единицу давления в системе СГС — $1 \frac{\delta \ln}{cm^2}$, которое называют барней. Однако эта единица сликом мала для измерения высоких давления, и чашце использует в миллион раз больше: $1 \text{ бар} = 10^8 \frac{\delta \ln}{cm^2}$, и производные от нее: килобар, равный $10^3 \text{ бар}$ или $10^9 \frac{\delta \ln}{cm^2}$; медабар, равный $10^6 \text{ бар}$. В международной системе единиц СИ

10

принята другая единица — сила в 1 ньюмон, действующая равномерно на площадь в 1 м², создает давление в 1 паскаль (1 Па); 1 Па=10 $\frac{\partial \ln}{cm^2}$; 1 бар=10⁵ Па.

Определям, чему соответствует в этих единицах давление в одну физическую атмосферу. Как видно из названия, эта единица связана с давлением атмосферного воздуха. Пусть на поверхности площадью S давит столь жидкость или газа (в нашем случае воздуха) высоты h и плотностиρ. тогда объем этого столба V=h·S, а его вес G=h·S·ρ·g (приускорении силы тяжестеги g), и давление P = $\frac{G}{S} = h \cdot \rho \cdot g$. Прияв высоту воздуха атмосферы равной 200 км (2.10⁷ cm) и ее среднюю по высоте плотностьρ=5,16·10⁻⁵ e/cm³, получим, что при g=980 $\frac{cm}{c^2}$ P=1 amm=1,01·10⁶ $\frac{\partial \ln}{cm^2}$.

Воздущий океан нашей планеты неспокoen. Воздушие течение и циклоны менют высоту и плотность atmosферы. Atmosферное давление колблется в широких пределах и, безусловно, не может быть принято за этапон. Условились за «физическая atmosферу» принимать давление, которое производит на горизонтальную плоскость столбчки (эквивалент воздуха atmosферы) плотностью 13,595 e/cm³ высотой 760 мм при 0°С иускорении силы тяжестеги 980,665 cm/c². Тогда 1 amm=76×13,595·980,665=1,0132·10⁶ $\frac{\partial \ln}{cm^2}$ или 1 amm≈1 бар=10⁵ Па.

Создание высоких давления

Какому знаком устройство для создания «высокого» давления — вещепедный насос. Если подсоединить его к волейбольной камере и добавить еще изменитель давления (например, автоматный манометр), то перед нами будет модель установки высокого давления (рис. 1), состоящая из трех основных узлов: генератора давления (насос), сосуда высокого давления.

Рис. 1.

Рис. 2. Механический пресс.

леня (камера) и манометра, измеряющего созданное давление.

Вдвигая руками поршень в цилиндр насоса, мы создаем сравнительно небольшое давление: 2—3 атмосферы. Естественно, что для создания более высоких давления нужны и большее усилия при перемещении поршня той же площади (F=P·S, где S — площадь поршня). В механическом прессе для получения высокого давления используется вит (рис. 2). Таким образом получают значительный выгрузш в силе.

Еще больше усилия можно приложить к поршню, а значит, и получить более высокие (десятки тысяч atmosфер) с помощью гидравлического пресса. Такой генератор давления — мультипликатор—изображен на рисунке 3. Под большой поршень диаметра D с помощью насоса нагнетают жидкость при сравнительно низком давлении (Pₙ=100÷500 atmospheric pressure).

11

сфер). Этот поршень с силой $F = P_H \cdot S_H = P_H \frac{\pi D^2}{4}$ вдвигает поршень меншшего диаметра $d$ в цилиндр высокого давления и скимает нахождение в нем жидкость до давления $P_B$. Если пренебречь силами треня, то сила, развиваемая большим поршнем, будет всегда равна сце, с которой малый поршень выталкивает высоким давлением: $F = P_B \frac{\pi d^2}{4}$.

Приравняем эти выражения $P_H \frac{\pi D^2}{4} = P_B \frac{\pi d^2}{4}$. Отсюда получим зависимость величины высокого давления от величины низкого давления: $P_B = \frac{D^2}{d^2} P_H = k P_H$. Здесь $k$ — коэффициент мультипликации установки. Необходимое давление, как правило, получают за один ход поршня, то есть в результате одного скатия. Если надо повысить давление в большом сосуде, то мультипликаторы сабжайются васываюшим и нагнетаюшим клапанами и поршень перемещают несколько раз, как в величине насосе. Мультипликаторы — «тихоходные» машины, их производительность (количество скатой жидкости в минуту) мала.

Для создания высоких давления в больших объемах использются компрессоры. Компрессор можно представить себе как насос, поршень которого перемещается мощным электромотором через кривошипно-шатунный механизм. Общий вид компрессора показан на рисунке 4. В Советском Союзе созданы уникальные компрессоры, дающие десяти литров жидкости в час при давлении 10—16 тысяч atmosфер. Их отличительная особенность — большое число ходов поршня в минуту и высокая степень скатия. За один ход поршня давление в цилиндре поднимается с 30 до 16 000 atmosфер.

При скатии газов их объем вначале уменьшается приблизительно пропорционально давлению. При высоких давлениях плотность газов становится близкой к плотности жидкости ($\rho \approx 1 \text{ e/cm}^3$), их скимаемость падает и наблюдаются большие отклонения от закона Бойля — Марютта. Сжатый газ обладает огромным запасом энергии. При выстреле максимальное давление пороховых газов вOrdinary mode достигает 5—6 тысяч atmosфер. Однако литр газа при таком давлении обладает огромной энергии.

Работать с газами, скатыми до давления 20—30 тысяч atmosфер, крайне трудно и опасно. Представьте себе, что вам нужно проводить исследование с Ordinary mode, которое выстрел

12

лило, но снаряд не вылетел из ствола (вы вовремя заткнул ствол).

Сжатые жидкости обладают меньшим запасом энергии, у них меньше скимаемость. Однако при высоких давлениях сильно возрастает взрость жидкости, что затрудняет работу клананов компрессоров и передачу давления по соединительным трубам — капиллярам. При давлениях порядка 30—40 тыссч атмосфер жидкости затвердевают. Поэтому для создания давления в 50 тыссч атмосфер и выше в качестве рабочей среды используют пластические твердые тела.

Простейшей установкой для получения высоких давления в твердых телах является пызометр, изображенный на рисунке 5. Цилиндрические поршни из твердого сплава вдвигаются с помощью гидравлического пресса в сосуд высокого давления, называемый матрицей. В матрице находится мягкое пластическое вещество

Рис. 5. Пызометр.

Рис. 6. Кончческий аппарат.

(индий, свинец или хлопистое сербро), внутри которого помещают исследуемый образец. Давление в таком пызометре определяют по величины приложенной силы на единицу площади поперечного сечения канала пызомета. Максимальное давление, которое можно получить в таком аппарате, определяется пределом прочности поршней при скатии и обычно не превыходит 40—50 тыссч атмосфер.

Для предохранения поршней от разрушения необходимо их «поддержать»: создать на их боковой поверхности поддерживающей давление. Это легко достигается в кончском аппарате (рис. 6). При вдвигании прессом кончческих поршней в матрицу скимаемятся не только рабочая среда и образец в матрице, но и прокладка между кончским входом в матрицу и поршнем (на рисунке она изображена черным цветом). Возникающие при этом силы оказывают поддерживающее давление на боковую поверхности поршня.

Такие аппараты позволяют получить давление до 70—100 тыссч атмосфер. Слабым местом в этой конструкции оказывается нагрузку как от высокого давления внутри, так и от кони-

13

Рис. 7. Кубичский аппарат.

ческих поршней, которые также стремятся растнуть матрицу. Учены и конструкторы нашли оригинальный выход из создавшего затруднения. Если матрица не выдерживает — выбросить ее и заменить тем, что выдерживает такие давления — аналогичными поршнями, которые следует также сдвигать гидравлическими прессами. Так была создана шестиоснача установка (рис. 7). Кубик из пластического матриала, внутри которого расположен исследуемый образец, скимался поршнями — пуансонами, каждый из которых давил на одну гранькуба.

Между поршнями — пуансонами, как и в кончесом аппарате, помещались прокладки, при скатии которых возникало подерживающее давление на боковые поверхности пуансонов. В такой установке предел достижимых давления возникает из-за разрушения матриала, из которого сделан аппарат.

Более высокие давления можно, очень получить, применяя касадный принцпил или вставляя аппarat в аппарат по принципиу «матрешки». Так, если кончесую камеру, работаюшую до давления в 100 000 атмосфер, помещить в такую же кончесую камеру, также на 100 000 atmosфер, но больше размета, то во внутренней камере можно, очень получить 200 тысяч atmosфер. Благодар тому, что прочность материалов под давлением увеличивается, можно ожидать еще большеовым выгрыша.

Еще больше давления можно получить в тонких слоях вещества, скимая его между накovalнями (рис. 8). Исследуемый образец в виде тонкого диска помещают в колюц из известнаяка — катлинита. Известнаяка обладает большим коэффициентом трения и не позволяет скимаемому веществу вытечь из аппарата. В таких аппаратах, изготовленных из самых материалов, учены получают давления в 0,5 миллиона atmosфер. Еще больше давления — до 10—15 миллионов atmosфер получают динамическими методами: скимая вещество взрывом. Если амплуу с исследуемый веществом okружить со всех сторон взрывчатым веществом, например, толом, и подорвать это устойчивое с поверхности, то фронт взрыва будет распространяться к центру и взрывная волна со всех сторон созмет амплуу на доли секунды до огромных давления.

Рис. 8. Сжатие между накovalнями.

14

Измерение давления

Простейший способ измерения давления состоит в уравновешивании измеряемого давления весом столба жидкости. Чем тяжелее жидкость, тем меньше высота столба будет необходима для уравновешивания одного и того же давления. Однако даже применение самой тяжелой жидкости — рутини (плотность 13,6 $e/cm^3$) для измерения давления в сотни атмосфер привело бы к высоте столба в сотни метров (вспомним, что 0,76 м $pm. cm.=1$ атмосфере). Оргинальное решение этой проблемы было предложено Д. И. Менделеевым в 1872 году. Его.manometр состоит из нескольких колен, заполненных рутины и водой (рис. 9). Измерение давление будет равно сумме высоты столбов рутини ($H_1+H_2+H_3$), умноженной на плотность рутини, минус сумма высоты столбов воды ($h_1+h_2$), умноженная на плотность воды. Но несмотря на существенный выгрыш в размерах, точный.manometр такой конструкции на 200 атмосфер представляет собой внутренальное сооружение из 9 колен по 18 метров высотой.

Другим типом прибора для измерения давления является.manometр со свободным поршнем, схематически изображенный на рисунке 10. Сжатое вещество стремится вытолкнуть поршень, свободно движущейся в стальном цилиндре. Это давление урав-
Рис. 9. Manometр Менделеева.

Рис. 10. Manometр со свободным поршнем.

новшивается весом груза $G$ и, зная площадь поршня $S$, можно определить измерение давление $P=\frac{G}{S}$.

Это соответствие справедливо при несликом больших давлениях. При измерении давления в 10—25 тыссч атмосфер приходит учитьвать скатные поршня, увеличение диаметра отверстия цилиндра, возрастание вззости жидкости, вытекающий в зазор, и ряд других эффектов. Расчетная формула условия, условия и конструкция.manometра.

Рекорд в измерении высоких давления таким способом приладжит советским физикам во главе с академиком Л. Ф. Верещагиным. Ими была создана оригинальная конструкция.manometра со свободным поршнем на диапазон давления до 100 000 atmosфер.

Для измерений высоких давления в заводских установках и laboratorиях применяют более простые, но и менее точные.manometры, которые кальбруют и проверяют по абсолотным приборам. Наибольшее распространение получили.manometры с трубчатой ружиной. Если создать давление в изогнутой трубке, сечение которого показано на рисунке 11, то такая трубка будет разгибаться на величины, пропорциональную давлению. Конец трубки, перемещаясь,

15

Рис. 11. Пружинный манометр.

потянет зубчатую рейку и повернет ось, на котором насажена стрелка. Такие манометры применяются до 10—16 тыссч atmosфер.

Удобным для дистанционного измерения является электрический манометр, в котором используется свойство мангииновой проволоки *) линейно увеливать свое сопротивление с давлением. Если сопротивление катушки мангииновой проволоки при atmosферном давлении было $R_0$, а при $P_x$ стало равно $R_x$, то

$$P_x = k \frac{R_x - R_0}{R_0},$$

где $k$ — коэффициент ($k \approx 0,5 \times 10^6$ бар), известный из предварительных калибровок по абсцилотному манометру. Мангииновый манометр применяют для измерения давления в интервале 1000—100 000 atmosфер. А как изменить давление свыше 100 000 atmosфер? При таких давлениях поршни манометров деформаются очень сильно: лучшие стали и твердые сплавы становятся пластичными, и говорить о точных размерах невозможно. В таких случаях величины давления определяют по изменению физических свойств жидых веществ.

*) Мангиин — сплав 86% Cu, 11% Mn, 3% Ni.

Рис. 12. Кристалл NaCl и цепочкаонов.