ฟิสิกส์ปรากฏการณ์แรงดันสูง

ปรากฏการณ์แรงดันสูง, การเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติทางกายภาพ, เคมีและโครงสร้างที่สำคัญเมื่อได้รับแรงดันสูง ความดันจึงทำหน้าที่เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์ในการวิจัยวัสดุและเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการตรวจสอบหินและแร่ธาตุที่ก่อตัวในส่วนลึกของโลกและดาวเคราะห์อื่น ๆ

ความดันหมายถึงแรงที่ใช้กับพื้นที่เป็นตัวแปรทางเคมีความร้อนที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีเทียบเท่ากับผลกระทบของอุณหภูมิที่คุ้นเคย ยกตัวอย่างเช่นน้ำของเหลวเปลี่ยนเป็นน้ำแข็งเมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิต่ำกว่า 0 ° C (32 ° F) แต่น้ำแข็งสามารถผลิตได้ที่อุณหภูมิห้องโดยการบีบอัดน้ำให้แรงกดดันสูงกว่าความดันบรรยากาศประมาณ 10,000 เท่า ในทำนองเดียวกันน้ำแปลงเป็นรูปแบบก๊าซที่อุณหภูมิสูงหรือที่ความดันต่ำ

แม้จะมีความคล้ายคลึงกันเพียงผิวเผินระหว่างอุณหภูมิและความดันตัวแปรทั้งสองนี้มีความแตกต่างกันอย่างมากในวิธีที่พวกเขาส่งผลกระทบต่อพลังงานภายในของวัสดุ การแปรผันของอุณหภูมิสะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์และในพฤติกรรมทางอุณหพลศาสตร์ของอะตอมที่สั่นสะเทือน ในทางตรงกันข้ามความดันที่เพิ่มขึ้นจะเปลี่ยนแปลงพลังงานของพันธะอะตอมโดยการบังคับให้อะตอมเข้าใกล้กันมากขึ้นในปริมาณที่น้อยลง ความดันทำหน้าที่เป็นหัววัดที่มีประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาระหว่างอะตอมและพันธะเคมี นอกจากนี้ความดันเป็นเครื่องมือสำคัญในการสังเคราะห์โครงสร้างที่หนาแน่นรวมถึงวัสดุที่มีความแข็งมากก๊าซและของเหลวที่มีความแปลกใหม่และขั้นตอนคล้ายแร่ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นลึกลงไปในโลกและดาวเคราะห์อื่น ๆ

มีการแนะนำหน่วยต่าง ๆ สำหรับการวัดความดันและบางครั้งก็สับสนในงานวรรณกรรม บรรยากาศ (atm; ประมาณ 1.034 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร [14.7 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว], เทียบเท่ากับน้ำหนักประมาณ 760 มิลลิเมตร [30 นิ้ว] ของปรอท) และบาร์ (มักเท่ากับหนึ่งกิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร) มักถูกอ้างถึง หน่วยเหล่านี้เกือบจะเหมือนกันโดยบังเอิญ (1 บาร์ = 0.987 atm) ปาสคาลหมายถึงหนึ่งนิวตันต่อตารางเมตร (1 Pa = 0.00001 บาร์) เป็นหน่วยแรงดัน SI (Système International d'Unités) อย่างเป็นทางการ อย่างไรก็ตามปาสกาลยังไม่ได้รับการยอมรับในระดับสากลในหมู่นักวิจัยแรงดันสูงบางทีอาจเป็นเพราะความจำเป็นในการใช้ gigapascal (1 GPa = 10,000 บาร์) และ terapascal (1 TPa = 10,000,000 บาร์) ในการอธิบายผลแรงดันสูง

จากประสบการณ์ในชีวิตประจำวันพบกับแรงกดดันที่สูงกว่าบรรยากาศเช่นหม้อหุงความดัน (ประมาณ 1.5 atm), รถยนต์ที่ใช้ลมและยางรถบรรทุก (ปกติ 2 ถึง 3 atm) และระบบไอน้ำ (สูงสุด 20 atm) อย่างไรก็ตามในบริบทของการวิจัยวัสดุ“ ความดันสูง” มักจะหมายถึงแรงกดดันในช่วงหลายพันถึงหลายล้านชั้นบรรยากาศ

การศึกษาเรื่องภายใต้แรงกดดันสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งในบริบทของดาวเคราะห์ วัตถุในร่องลึกที่ลึกที่สุดของมหาสมุทรแปซิฟิกอยู่ภายใต้ค่าประมาณ 0.1 GPa (ประมาณ 1,000 atm) เทียบเท่ากับความดันใต้คอลัมน์หินสามกิโลเมตร แรงดันที่ใจกลางโลกเกิน 300 GPa และแรงกดดันภายในดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุด - ดาวเสาร์และดาวพฤหัสบดี - ประมาณว่าประมาณ 2 และ 10 TPa ตามลำดับ ที่ระดับสูงสุดบนความดันภายในดาวอาจเกิน 1,000,000,000 TPa

ผลิตแรงดันสูง

นักวิทยาศาสตร์ศึกษาวัสดุที่มีแรงดันสูงโดยการ จำกัด ตัวอย่างในเครื่องจักรที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งใช้แรงกับพื้นที่ตัวอย่าง ก่อนปี 1900 การศึกษาเหล่านี้ดำเนินการในเหล็กค่อนข้างดิบหรือถังเหล็กมักจะมีสกรูซีลที่ไม่มีประสิทธิภาพค่อนข้าง แรงกดดันในห้องปฏิบัติการสูงสุดถูก จำกัด อยู่ที่ประมาณ 0.3 GPa และการระเบิดของกระบอกสูบเป็นเรื่องปกติและบางครั้งก็เกิดอันตราย การปรับปรุงที่น่าทึ่งในอุปกรณ์แรงดันสูงและเทคนิคการตรวจวัดได้ถูกนำเสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Percy Williams Bridgman จากมหาวิทยาลัย Harvard ใน Cambridge, Mass ในปี 1905 Bridgman ค้นพบวิธีการบรรจุตัวอย่างแรงดันรวมถึงก๊าซและของเหลว ปะเก็นมักจะมีแรงดันสูงกว่าตัวอย่างภายใต้การศึกษาจึง จำกัด ตัวอย่างและลดความเสี่ยงของความล้มเหลวในการทดลอง Bridgman ไม่เพียง แต่ได้รับแรงกดดันเกิน 30,000 ตู้เอทีเอ็มเท่านั้น แต่ยังสามารถศึกษาของเหลวและตัวอย่างที่ยากอื่น ๆ ได้อีกด้วย