高圧現象物理学

高圧現象、物理的、化学的、構造的特性の変化であり、高圧にさらされたときに問題になります。このように、圧力は材料研究において多用途のツールとして機能し、地球や他の惑星の内部を形成する岩石や鉱物の調査において特に重要です。

領域に加えられる力として定義される圧力は、温度のより身近な影響に匹敵する物理的および化学的変化を引き起こす熱化学変数です。たとえば、液体の水は、0°C（32°F）未満の温度に冷却すると固体の氷に変わりますが、大気圧よりも約10,000倍高い圧力まで水を圧縮することにより、室温で氷を生成することもできます。同様に、水は高温または低圧で気体の形態に変わります。

温度と圧力の表面的な類似性にもかかわらず、これらの2つの変数は、材料の内部エネルギーに影響を与える方法が根本的に異なります。温度変化は、運動エネルギーの変化を反映し、したがって振動する原子の熱力学的挙動を反映します。一方、圧力を上げると、小さい体積で原子同士を近づけることによって原子結合のエネルギーが変化します。したがって、圧力は原子間相互作用と化学結合の強力なプローブとして機能します。さらに、圧力は、超硬材料、新しい固化したガスと液体、地球や他の惑星の奥深くで発生すると疑われる鉱物のような相など、高密度構造を合成するための重要なツールです。

圧力を測定するための多数のユニットが導入されており、時には文献で混乱しています。大気（atm;約1.034キログラム/平方センチメートル[14.7ポンド/平方インチ]、約760ミリメートル[30インチ]水銀の重量に相当）とバー（1キログラム/平方センチメートルに相当）がよく引用されます。偶然にも、これらの単位はほとんど同じです（1 bar = 0.987 atm）。1平方メートルあたり1ニュートン（1 Pa = 0.00001 bar）として定義されるパスカルは、公式のSI（SystèmeInternational d'Unités）圧力単位です。それにもかかわらず、おそらく高圧の結果を記述する際にギガパスカル（1 GPa = 10,000バール）とテラパスカル（1 TPa = 10,000,000バール）を使用する必要があるためか、パスカルは高圧研究者の間で広く受け入れられていません。

日常の経験では、たとえば圧力鍋（約1.5 atm）、自動車およびトラックの空気入りタイヤ（通常2〜3 atm）、および蒸気システム（最大20 atm）で周囲圧力より高い圧力が発生します。ただし、材料研究の文脈では、「高圧」は通常、数千から数百万気圧の範囲の圧力を指します。

高圧下での物質の研究は、惑星の文脈では特に重要です。太平洋の最も深い海溝にある物体は、約0.1 GPa（約1,000 atm）に曝されます。これは、3 kmの岩柱の下の圧力に相当します。地球の中心部の圧力は300 GPaを超え、最大の惑星である土星と木星の内部の圧力は、それぞれおよそ2 TPaと10 TPaと推定されています。上端では、星の内部の圧力が1,000,000,000 TPaを超えることがあります。

高圧を生み出す

科学者は、サンプル領域に力を加える特別に設計された機械にサンプルを閉じ込めることにより、高圧で材料を研究します。1900年より前は、これらの研究はかなり粗い鉄または鋼のシリンダーで行われ、通常はスクリューシールが比較的非効率的でした。実験室の最大圧力は約0.3 GPaに制限されており、シリンダーの爆発は一般的で、時には有害な出来事でした。高圧機器と測定技術の劇的な改善は、マサチューセッツ州ケンブリッジにあるハーバード大学のアメリカの物理学者パーシーウィリアムズブリッジマンによって導入されました。1905年に、ブリッジマンは、ガスや液体を含む加圧サンプルを、ガスケットは常に調査中のサンプルよりも高い圧力を受けたため、サンプルが閉じ込められ、実験が失敗するリスクが減少しました。ブリッジマンは日常的に30,000 atmを超える圧力を達成しただけでなく、液体やその他の難しいサンプルを研究することもできました。