Áp suất cao - sáng tạo và đo lường

9

CAO CẤP-CẤU TRÚC VÀ CHIỀU KỲ

Tính chất của một chất phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử của nó. Khi khoảng cách cơ học giảm, mật độ của chất tăng lên, các tính chất điện, quang, cơ và cấu trúc tinh thể thay đổi. Bằng cách nghiên cứu tính chất của chất lỏng, chúng ta đã hiểu sâu hơn về bản chất và bản chất của các lực tác dụng giữa các nguyên tử.

Làm thế nào để kết hợp các nguyên tử trong vật chất?
Hãy lấy một khối chất và bắt đầu nén nó dưới áp lực. Do bị nén dọc theo một trục, chúng ta sẽ gây ra biến dạng trong khối này, khoảng cách giữa các nguyên tử của nó sẽ giảm đi. Tuy nhiên, chúng ta sẽ không nhận được biến dạng đáng kể. Một khi đạt đến giới hạn, sự hủy diệt sẽ diễn ra chắc chắn.

Làm thế nào chúng ta có thể kết hợp các nguyên tử trong vật chất mạnh mẽ hơn nữa? Để làm điều này, bạn cần nén chất này từ mọi phía, nghĩa là tác dụng các lực bằng nhau đồng thời lên tất cả các cạnh của khối lập phương của chúng ta, khiến nó chịu áp suất cao toàn diện. Trong trường hợp này, chúng ta có thể thu được các nguyên tử trong một chất mà không bị phá hủy, thay đổi tính chất vật lý của nó và buộc các quá trình hóa học diễn ra khác đi.

Phạm vi áp suất trong tự nhiên là rất lớn. Ở dưới đáy đại dương không khí, chúng ta sống ở áp suất bằng một bầu khí quyển. Một cột nước ép lên màng nhĩ của thợ lặn và cần có bộ đồ lặn đặc biệt để lặn biển sâu. Theo tính toán của các nhà địa vật lý, áp suất ở tâm Trái đất vào khoảng 4 triệu atm.

Buổi sáng bạn mở vòi nước và nước chảy vào chậu rửa với dòng nước mạnh. Áp lực nước trong nguồn cấp nước là 1,5-2 atm. Bữa sáng được chuẩn bị trên bếp, khí được cung cấp ở áp suất 1,01 amp.

Trên đường mismo, xe điện và xe buýt lao qua bạn. Trong lốp của họ, công suất không khí lên tới 2,5-4 amps. Trong xi lanh động cơ của chiếc Volga chuyển động nhanh, áp suất đạt tới 30-50 amps. Tua bin của nhà máy điện được điều khiển bằng hơi nước ở áp suất 200-500 amps. Tại các nhà máy công nghiệp hóa chất, polyetylen được sản xuất bằng cách lọc khí ethylene đến áp suất 1000 ampe và amoniac được tổng hợp từ nitơ và hydro ở áp suất 1500 ampe. Khi biến đồ thị thành kim cương, áp suất đạt tới 100.000 ampe và nhiệt độ lên tới 2000 độ.

Chúng ta hãy định nghĩa áp suất là lực mà chất khí hoặc chất lỏng chứa trong bể tác dụng lên một đơn vị diện tích thành của bể này:

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

Sử dụng công thức đơn giản này, bạn có thể đặt đơn vị đo áp suất. Đặt lực bằng 1 dyne và diện tích bằng 1 cm vuông, chúng ta có đơn vị áp suất trong hệ CGS - $1 \frac{\delta \ln}{cm^2}$, được gọi là barney. Tuy nhiên, đơn vị này quá nhỏ để đo áp suất cao và chiếc cốc sử dụng nhiều hơn một triệu lần: $1 \text{ бар} = 10^8 \frac{\delta \ln}{cm^2}$ và các dẫn xuất của nó: kilobar, bằng $10^3 \text{ бар}$ hoặc $10^9 \frac{\delta \ln}{cm^2}$; thanh trung gian bằng $10^6 \text{ бар}$. Trong hệ đơn vị quốc tế SI

10

một đơn vị khác được sử dụng - lực 1 newmon, tác dụng đồng đều trên diện tích 1 mét vuông, tạo ra áp suất 1 pascal (1 Pa); 1 Pa=10 $\frac{\partial \ln}{cm^2}$; 1 bar=10⁵ Pa.

Chúng ta hãy xác định áp suất của một bầu khí quyển vật lý tương ứng với những đơn vị này. Như tên cho thấy, đơn vị này có liên quan đến áp suất không khí trong khí quyển. Cho một bề mặt có diện tích S bị ép bởi một chất lỏng hoặc khí (trong trường hợp của chúng ta là không khí) có chiều cao h và mật độ ρ. thì thể tích của cột này là V=h·S, trọng lượng của nó là G=h·S·ρ·g (dưới tác dụng của gia tốc trọng trường g), và áp suất P = $\frac{G}{S} = h \cdot \rho \cdot g$. Giả sử độ cao của không khí trong khí quyển là 200 km (2,10⁷ cm) và mật độ độ cao trung bình của nó ρ=5,16·10⁻⁵ e/cm³, chúng ta thu được kết quả đó ở g=980 $\frac{cm}{c^2}$ P=1 amm=1,01·10⁶ $\frac{\partial \ln}{cm^2}$.

Đại dương thoáng đãng của hành tinh chúng ta không ngừng nghỉ. Các dòng không khí và lốc xoáy làm thay đổi độ cao và mật độ của khí quyển. Áp suất khí quyển dao động trong một phạm vi rộng và tất nhiên không thể coi là etapon. Chúng tôi đồng ý coi “không khí vật lý” là áp suất được tạo ra trên mặt phẳng nằm ngang bởi các cột (tương đương với không khí trong khí quyển) với mật độ 13,595 e/cm³, độ cao 760 mm ở 0°C và lực gia tốc là 980,665 cm/s². Khi đó 1 amm=76×13,595·980,665=1,0132·10⁶ $\frac{\partial \ln}{cm^2}$ hoặc 1 amm≈1 bar=10⁵ Pa.

Tạo áp suất cao

Thiết bị tạo áp suất “cao” - máy bơm thực phẩm quen thuộc đến mức nào? Nếu chúng ta kết nối nó với buồng bóng chuyền và thêm bộ thay đổi áp suất (ví dụ: đồng hồ đo áp suất tự động), thì chúng ta sẽ có mô hình lắp đặt áp suất cao (Hình 1), bao gồm ba thành phần chính: máy tạo áp suất (máy bơm), bình áp suất cao.

Cơm. 1.

Cơm. 2. Máy ép cơ khí.

Lenya (buồng) và đồng hồ đo áp suất đo áp suất được tạo ra.

Bằng cách dùng tay đẩy piston vào xi lanh bơm, chúng ta tạo ra một áp suất tương đối nhỏ: 2-3 atm. Đương nhiên, để tạo ra áp suất cao hơn, cần có lực lớn hơn khi di chuyển một piston có cùng diện tích (F=P·S, trong đó S là diện tích của piston). Trong máy ép cơ học, Vit được sử dụng để thu được áp suất cao (Hình 2). Bằng cách này, sẽ thu được một lượng điện năng đáng kể.

Thậm chí có thể tác dụng nhiều lực hơn lên piston, nghĩa là có thể thu được giá trị cao hơn (hàng chục nghìn atm) bằng cách sử dụng máy ép thủy lực. Một máy tạo áp suất như vậy - một hệ số nhân - được minh họa trong Hình 3. Chất lỏng được bơm dưới một pít-tông lớn có đường kính D bằng máy bơm ở áp suất tương đối thấp (Pₙ=100 500 áp suất khí quyển).

11

hình cầu). Piston này với một lực $F = P_H \cdot S_H = P_H \frac{\pi D^2}{4}$ đẩy một piston có đường kính nhỏ hơn $d$ vào xi lanh áp suất cao và làm giảm chất lỏng trong đó xuống áp suất $P_B$. Nếu bỏ qua lực ma sát thì lực do piston lớn tạo ra sẽ luôn bằng tốc độ mà piston nhỏ đẩy ra với áp suất cao: $F = P_B \frac{\pi d^2}{4}$.

Chúng ta hãy đánh đồng các biểu thức này $P_H \frac{\pi D^2}{4} = P_B \frac{\pi d^2}{4}$. Từ đây chúng ta thu được sự phụ thuộc của giá trị áp suất cao vào giá trị áp suất thấp: $P_B = \frac{D^2}{d^2} P_H = k P_H$. Ở đây $k$ là hệ số nhân cài đặt. Áp suất cần thiết thường đạt được trong một hành trình của piston, nghĩa là sau một lần lăn. Nếu cần tăng áp suất trong một bình lớn thì bộ nhân áp được điều khiển bằng van xả và van xả và pít-tông được di chuyển nhiều lần, như trong một máy bơm lớn. Máy nhân là những cỗ máy “tốc độ thấp”, năng suất của chúng (lượng chất lỏng cuộn mỗi phút) thấp.

Máy nén được sử dụng để tạo ra áp suất cao với khối lượng lớn. Máy nén có thể được coi như một máy bơm có piston được di chuyển bằng động cơ điện mạnh mẽ thông qua cơ cấu tay quay. Cái nhìn tổng quát về máy nén được thể hiện trong Hình 4. Ở Liên Xô, những máy nén độc đáo đã được tạo ra để tạo ra 10 lít chất lỏng mỗi giờ ở áp suất 10-16 nghìn atm. Đặc điểm nổi bật của chúng là số lượng hành trình piston lớn mỗi phút và độ dốc cao. Trong một hành trình của piston, áp suất trong xi lanh tăng từ 30 đến 16.000 atm.

Khi khí cuộn xuống, thể tích của chúng ban đầu giảm tỷ lệ thuận với áp suất. Ở áp suất cao, mật độ của chất khí trở nên gần bằng mật độ của chất lỏng ($\rho \approx 1 \text{ e/cm}^3$), khả năng lướt qua của chúng giảm và quan sát thấy những sai lệch lớn so với định luật Boyle-Marutte. Khí nén có một lượng năng lượng rất lớn. Khi bắn, áp suất tối đa của khí bột ở chế độ Thông thường đạt 5-6 nghìn atm. Tuy nhiên, một lít khí ở áp suất này có năng lượng rất lớn.

Làm việc với các loại khí giảm xuống áp suất 20-30 nghìn atm là cực kỳ khó khăn và nguy hiểm. Hãy tưởng tượng rằng bạn cần tiến hành nghiên cứu với chế độ Thông thường, đó là một cảnh quay

12

đổ ra nhưng vỏ không bay ra khỏi thùng (bạn cắm thùng kịp thời).

Chất lỏng nén có ít năng lượng hơn và ít khả năng hớt bọt hơn. Tuy nhiên, ở áp suất cao, sự phát triển của chất lỏng tăng lên rất nhiều, điều này làm phức tạp hoạt động của các nhóm máy nén và việc truyền áp suất qua các ống nối - mao mạch. Ở áp suất khoảng 30-40 nghìn atm, chất lỏng đông đặc lại. Do đó, để tạo ra áp suất từ ​​50 nghìn atm trở lên, chất rắn nhựa được sử dụng làm môi trường làm việc.

Cách lắp đặt đơn giản nhất để thu được áp suất cao trong chất rắn là pyzometer, được minh họa trong Hình 5. Piston hình trụ làm bằng hợp kim cứng được đẩy bằng máy ép thủy lực vào bình áp suất cao gọi là ma trận. Ma trận chứa chất dẻo mềm

Cơm. 5. Nhiệt kế kế.

Cơm. 6. Bộ máy cuối.

(indi, chì hoặc bạc vảy), bên trong đó đặt mẫu thử. Áp suất trong đồng hồ đo áp suất như vậy được xác định bởi độ lớn của lực tác dụng trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang của kênh súng áp suất. Áp suất tối đa có thể đạt được trong một thiết bị như vậy được xác định bởi độ bền kéo của piston trong quá trình lăn và thường không vượt quá 40-50 nghìn atm.

Để bảo vệ các piston khỏi bị phá hủy, cần phải “hỗ trợ” chúng: tạo ra một bề mặt chịu áp lực trên bề mặt bên của chúng. Điều này có thể dễ dàng đạt được trong bộ máy Konch (Hình 6). Khi đẩy các pít-tông ốc xà cừ vào ma trận bằng máy ép, không chỉ môi trường làm việc và mẫu trong ma trận bị loại bỏ mà còn cả miếng đệm giữa lối vào ốc xà cừ vào ma trận và pít-tông (nó được thể hiện bằng màu đen trong hình). Các lực sinh ra sẽ tạo ra áp suất hỗ trợ lên bề mặt bên của piston.

Những thiết bị như vậy cho phép bạn đạt được áp suất lên tới 70-100 nghìn atm. Điểm yếu trong thiết kế này là tải trọng từ cả áp suất cao bên trong và từ hình nón.

13

Cơm. 7. Bộ máy khối.

piston ical, cũng có xu hướng phát triển ma trận. Các nhà khoa học và nhà thiết kế đã tìm ra cách thoát khỏi khó khăn đã tạo ra. Nếu ma trận không thể chịu được, hãy vứt nó đi và thay thế bằng thứ gì đó có thể chịu được áp lực như vậy - các piston tương tự, cũng phải được di chuyển bằng máy ép thủy lực. Đây là cách tạo ra quá trình cài đặt sáu giai đoạn (Hình 7). Một khối lập phương làm bằng vật liệu nhựa, bên trong chứa mẫu đang nghiên cứu, được ép bằng pít-tông - chày, mỗi chày được ép vào một cạnh của khối.

Giữa các piston - chày, giống như trong thiết bị hoàn thiện, các miếng đệm được đặt, khi chúng lăn xuống, một áp suất hỗ trợ sẽ xuất hiện trên các bề mặt bên của chày. Trong quá trình lắp đặt như vậy, giới hạn áp suất có thể đạt được sẽ phát sinh do vật liệu chế tạo thiết bị bị phá hủy.

Có thể đạt được áp suất cao hơn bằng cách sử dụng nguyên lý xếp tầng hoặc lắp thiết bị vào thiết bị theo nguyên lý “matryoshka”. Vì vậy, nếu một buồng giam hoạt động ở áp suất 100.000 atm được đặt trong cùng một buồng giam, cũng ở áp suất 100.000 atm, nhưng kích thước lớn hơn, thì ở buồng bên trong, bạn rất có thể nhận được 200 nghìn atm. Nhờ thực tế là độ bền của vật liệu dưới áp suất tăng lên nên có thể đạt được lợi ích lớn hơn nữa.

Thậm chí có thể đạt được nhiều áp lực hơn trong các lớp mỏng của chất bằng cách ép nó vào giữa các đe (Hình 8). Mẫu đang nghiên cứu ở dạng đĩa mỏng được đặt trong một vòng đá vôi - catlinit. Đá vôi có hệ số ma sát cao và không cho chất được hớt lọt ra khỏi thiết bị. Trong những thiết bị như vậy, được làm từ chính những vật liệu đó, các nhà khoa học thu được áp suất 0,5 triệu atm. Thậm chí còn có áp suất lớn hơn - lên tới 10-15 triệu atm - bằng các phương pháp động: cho nổ vật chất bằng một vụ nổ. Nếu khu vực có chất thử được bao quanh tất cả các phía bởi một chất nổ, chẳng hạn như tol, và chất ổn định này bị phá hủy khỏi bề mặt, thì mặt trước của vụ nổ sẽ lan đến trung tâm và sóng nổ từ mọi phía sẽ tạo ra một khu vực có áp suất cực lớn trong một phần giây.

Cơm. 8. Nén giữa đe.

14

Đo áp suất

Cách đơn giản nhất để đo áp suất là cân bằng áp suất đo được với trọng lượng của cột chất lỏng. Chất lỏng càng nặng thì chiều cao của cột càng thấp để cân bằng áp suất tương tự. Tuy nhiên, ngay cả khi sử dụng chất lỏng nặng nhất, rutin (mật độ 13,6 $e/cm^3$), để đo áp suất hàng trăm atm sẽ dẫn đến chiều cao cột hàng trăm mét (hãy nhớ rằng 0,76 m $pm. cm.=1$ atm). lời giải ban đầu của vấn đề này được D. I. Mendeleev đề xuất vào năm 1872. Áp kế của nó bao gồm một số khuỷu chứa đầy rutin và nước (Hình 9). Số đo áp suất sẽ bằng tổng chiều cao của cột rutin ($H_1+H_2+H_3$) nhân với mật độ của rutin, trừ đi tổng chiều cao của cột nước ($h_1+h_2$) nhân với mật độ của nước. Nhưng mặc dù tăng đáng kể về kích thước, áp kế chính xác của thiết kế như vậy cho 200 atm là cấu trúc bên trong gồm 9 khuỷu tay cao 18 mét.

Một loại dụng cụ đo áp suất khác là áp kế pít-tông tự do, được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 10. Chất bị nén có xu hướng đẩy pít-tông ra ngoài, pít-tông chuyển động tự do trong một xi-lanh thép. Áp suất này được cân bằng
Cơm. 9. Áp kế Mendeleev.

Cơm. 10. Áp kế có piston tự do.

được thay thế bằng trọng lượng của tải $G$ và khi biết diện tích của piston $S$, có thể xác định được số đo áp suất $P=\frac{G}{S}$.

Sự tương ứng này có giá trị ở áp suất cao hơn một chút. Khi đo áp suất 10-25 nghìn atm, cần tính đến độ dốc của piston, sự tăng đường kính của lỗ xi ​​lanh, sự tăng độ dày của chất lỏng chảy vào khe hở và một số tác động khác. Công thức tính toán điều kiện, điều kiện và thiết kế.manometer.

Kỷ lục đo áp suất cao theo cách này được nắm giữ bởi các nhà vật lý Liên Xô do Viện sĩ L.F. Vereshchagin đứng đầu. Họ đã tạo ra một thiết kế ban đầu của một áp kế có pít-tông tự do cho phạm vi áp suất lên tới 100.000 atm.

Để đo áp suất cao trong lắp đặt nhà máy và phòng thí nghiệm, người ta sử dụng áp kế đơn giản hơn nhưng kém chính xác hơn, được hiệu chuẩn và kiểm tra bằng các dụng cụ tuyệt đối. Phổ biến nhất là đồng hồ đo áp suất có lò xo hình ống. Nếu bạn tạo áp suất trong một ống cong, có tiết diện như trong Hình 11, thì ống đó sẽ uốn cong một lượng tỷ lệ với áp suất. Đầu ống chuyển động,

15

Cơm. 11. Đồng hồ đo áp suất lò xo.

sẽ kéo giá đỡ và xoay trục mà mũi tên được gắn vào. Đồng hồ đo áp suất như vậy được sử dụng lên tới 10-16 nghìn atm.

Thuận tiện cho việc đo từ xa là đồng hồ đo áp suất điện, sử dụng đặc tính của dây mangiin *) để tăng tuyến tính điện trở của nó theo áp suất. Nếu điện trở của một cuộn dây mangiin ở áp suất khí quyển là $R_0$, và ở $P_x$ nó trở thành $R_x$, thì

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

trong đó $k$ là hệ số ($k \approx 0,5 \times 10^6$ bar), được biết từ các hiệu chuẩn sơ bộ bằng máy đo áp suất abcylot. Đồng hồ đo áp suất mangiin được sử dụng để đo áp suất trong khoảng 1000-100.000 atm. Làm thế nào để thay đổi áp suất trên 100.000 atm? Ở áp suất như vậy, piston của đồng hồ đo áp suất biến dạng rất mạnh: thép và hợp kim cứng tốt nhất sẽ trở thành nhựa và không thể nói về kích thước chính xác. Trong những trường hợp như vậy, giá trị áp suất được xác định bởi sự thay đổi tính chất vật lý của chất lỏng.

*) Mangiin là hợp kim của 86% Cu, 11% Mn, 3% Ni.

Cơm. 12. Tinh thể và chuỗi NaCl.