Fyzika vysokotlakých jevů

Vysokotlaké jevy, změny fyzikálních, chemických a strukturních charakteristik, na nichž záleží, jsou vystaveny vysokému tlaku. Tlak tedy slouží jako všestranný nástroj ve výzkumu materiálů a je zvláště důležitý při zkoumání hornin a minerálů, které tvoří hluboký vnitřek Země a dalších planet.

Tlak, definovaný jako síla aplikovaná na oblast, je termochemická proměnná, která vyvolává fyzikální a chemické změny srovnatelné se známějšími účinky teploty. Kapalná voda se například při ochlazení na teplotu pod 0 ° C (32 ° F) přemění na pevný led, ale led lze také produkovat při pokojové teplotě stlačením vody na tlak zhruba 10 000krát vyšší než atmosférický tlak. Podobně se voda přeměňuje na svou plynnou formu při vysoké teplotě nebo při nízkém tlaku.

Přes povrchní podobnost mezi teplotou a tlakem se tyto dvě proměnné zásadně liší ve způsobu, jakým ovlivňují vnitřní energii materiálu. Teplotní změny odrážejí změny v kinetické energii a tím i v termodynamickém chování vibrujících atomů. Na druhé straně zvýšený tlak mění energii atomových vazeb tím, že nutí atomy blíže k sobě v menším objemu. Tlak tedy slouží jako výkonná sonda atomových interakcí a chemických vazeb. Tlak je navíc důležitým nástrojem pro syntézu hustých struktur, včetně supertvrdých materiálů, nových ztuhlých plynů a kapalin a minerálních fází, u nichž existuje podezření, že se vyskytují hluboko na Zemi a na dalších planetách.

Bylo zavedeno mnoho jednotek pro měření tlaku a v literatuře jsou občas zmateny. Atmosféra (atm; přibližně 1,034 kilogramů na čtvereční centimetr [14,7 liber na čtvereční palec], ekvivalentní hmotnosti přibližně 760 milimetrů [30 palců] rtuti) a tyč (ekvivalentní jednomu kilogramu na čtvereční centimetr) jsou často uváděny. Shodou okolností jsou tyto jednotky téměř identické (1 bar = 0,987 atm). Pascal, definovaný jako jeden newton na metr čtvereční (1 Pa = 0,00001 bar), je oficiální jednotka tlaku SI (Système International d'Unités). Pascal však nezískal univerzální uznání mezi vysokotlakými vědci, pravděpodobně kvůli trapné potřebě používat gigapascal (1 GPa = 10 000 barů) a terapascal (1 TPa = 10 000 000 barů) při popisu výsledků vysokotlakých.

V každodenních zkušenostech se vyskytují tlaky vyšší než okolní, například v tlakových vařičích (asi 1,5 atm), pneumatikách osobních a nákladních pneumatik (obvykle 2 až 3 atm) a parních systémech (až 20 atm). V kontextu materiálového výzkumu se však „vysoký tlak“ obvykle týká tlaků v rozsahu tisíců až miliónů atmosfér.

Studie látek pod vysokým tlakem jsou zvláště důležité v planetárním kontextu. Předměty v nejhlubším příkopu Tichého oceánu jsou vystaveny asi 0,1 GPa (zhruba 1 000 atm), což odpovídá tlaku pod tříkilometrovým sloupcem skály. Tlak ve středu Země přesahuje 300 GPa a tlaky uvnitř největších planet - Saturn a Jupiter - se odhadují zhruba na 2 a 10 TPa. V horním extrému mohou tlaky uvnitř hvězd přesáhnout 1 000 000 000 TPa.

Vytváření vysokého tlaku

Vědci studují materiály pod vysokým tlakem omezováním vzorků ve speciálně konstruovaných strojích, které aplikují sílu na oblast vzorku. Před rokem 1900 byly tyto studie prováděny v spíše surových železných nebo ocelových válcích, obvykle s relativně neefektivním šroubovým těsněním. Maximální laboratorní tlaky byly omezeny na asi 0,3 GPa a výbuchy válců byly častým a někdy i škodlivým stavem. Dramatická vylepšení vysokotlakých přístrojů a měřicích technik byla zavedena americkým fyzikem Percym Williamsem Bridgmanem z Harvardské univerzity v Cambridge v Massachusetts. V roce 1905 objevil Bridgman metodu balení vzorků pod tlakem, včetně plynů a kapalin, tak, že těsnění těsnění vždy vykazovalo vyšší tlak než testovaný vzorek, čímž se vzorek omezil a snížilo se riziko experimentálního selhání. Bridgman nejen běžně dosahoval tlaky nad 30 000 atm, ale také dokázal studovat tekutiny a jiné obtížné vzorky.