Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Зависимость между давлением Р, объемом V и температурой Т какого-либо вещества определяется уравнением состояния:

P = RT (1 / V + A / V² + B / V³ + ...),

где R - газовая постоянная, А и В - константы, характерные для данного вещества. Из уравнения следует, что увеличить давление можно, либо нагревая тело (при V = const) - изохорический метод, либо уменьшая объем (при Т = const) - изотермический.

Человек научился создавать высокие (до 3 килобар) давления в небольших объемах примерно 600 лет назад с возникновением огнестрельного оружия. Кстати, и первыми автоклавами, как уже говорилось, служили ружейные или пушечные стволы.

Самый простой способ создания высоких давлений - изохорический. Давление создается при разогреве воды (раствора) в замкнутом объеме сосуда высокого давления - автоклава. Свойства (плотность и удельный объем) воды изучены до высоких параметров: 900⁰ С и 8900 бар². При нагревании замкнутого объема, n-ная часть которого заполнена водой, он будет весь заполнен гомогенным надкритическим водным флюидом. Поскольку плотность воды при нормальных условиях равна 1, очевидно, что плотность флюида в условиях опыта будет равна n, если считать стенки сосуда достаточно жесткими и пренебречь изменением объема. Задавая температуру опыта и зная расчетную плотность ("степень заполнения"), легко получить по известным зависимостям - графикам или таблицам давление. Наоборот, задавая температуру и давление опыта, нетрудно рассчитать степень заполнения сосуда. Зависимость плотности от температуры и давления изучена также для углекислоты и некоторых водных растворов солей. К сожалению, понятие "просто" далеко не всегда включает понятие "точно", поэтому ошибки в оценке давления в автоклаве по Р - V - Т данным могут достигать 10%.

Второй, изотермический способ создания давления связан с нагнетанием в рабочий объем газовой, жидкой (надкритической) или твердой передающей давление среды. В большинстве случаев опыты проводятся в герметичных тонкостенных ампулах. Выравнивание давления снаружи и внутри происходит путем изменения объема изучаемой системы, сопровождаемой деформацией стенок ампулы. В гидротермальных экспериментах используют изохорический, изотермический методы, а также их комбинации. В довольно обычных экспериментах, в которых вода служит передающей давление средой, нагнетаемой в рабочий объем, и в то же время веществом изучаемой системы, способ создания давления можно, по-видимому классифицировать как изохорно-изотермический. Исключительно изотермическим увеличением давления пользуются при работе с установками твердофазового типа.

Рис. 93. Схема простейшего винтового пресса.

Сжатие и нагнетание передающих давление сред осуществляют с помощью прессов, насосов, компрессоров и мультипликаторов различных конструкций. Ручные прессы для жидкостей обычно выполняют винтовыми (рис. 93). Рабочий объем такого пресса 10 см³, т.е. за один ход штока можно заполнить 1 реактор установки высокого давления экзоклавного типа с внутренним диаметром 10мм. Винтовой пресс может задать давление до 2000 атм. Более сложен в изготовлении и капризен в эксплуатации пресс-качалка, с помощью которого можно создавать давление до 1500 атм. Часто его используют в качестве источника низкого масляного давления для мультипликатора (см. ниже).

Для сжатия жидкостей (масла ) до высоких (2-3 кбар) давлений используются также насосы марки НГР. В них сжатие масла осуществляется за счет возвратно-поступательного движения поршня в цилиндрах высокого давления. Они снабжены автоматическими шариковыми клапанами, которые перекрывают объем высокого давления от цилиндра во время обратного хода поршня (всасывания масла в цилиндр). Такие насосы очень удобны в работе, производительность их до 10 см³/мин можно регулировать.

Рис. 94. Принципиальная схема мультипликатора.

Мультипликатор (рис. 94) служит в качестве дожимающей ступени для создания высоких давлений в малых объемах, а также для изоляции чистой жидкости (или газа) от рабочей, создающей давление в первой ступени пресса. К поршню большого диаметра прилагают давление (как правило, масла), создаваемое насосом. Давление над меньшим поршнем будет во столько же раз больше давления масла, во сколько раз различаются площади поршней: P = pB + A, где Р - давление над малым поршнем, р - давление масла (над большим по диаметру поршнем), В - соотношение площадей поршней, А - потери при трение. В гидротермальных экзоклавных установках для создания давлений до 4 кбар достаточно заполнения реактора водой, для более высоких - мультипликатор является основным источником давления. Однако корректировку, особенно подкачку, давления при 1 кбаре и выше можно проводить, только, используя мультипликатор.

Изотермическое сжатие гидравлическим прессом - причина повышения давления в твердофазных установках, подробнее рассмотренных ниже. Одностороннее усилие пресса преобразуется в твердых фазах с относительно низкими коэффициентами внутреннего трения (тальк, пирофиллит, стекло, нитрид бора и др.) в квазигидростатическое.

В экспериментальной петрологии используются статические давления от 1 бар до 2 мегабар. Весь интервал давлений, создаваемых при экспериментах, можно разбить на ряд областей. Гидротермальные установки работают до примерно 9 кбар.

При этом давлении и комнатной температуре замерзает вода (образуется модификация лед-VI). На некоторых гидротермальных установках свойства материалов реакторов позволяют работать при давлении 10 кбар. Его можно достичь за счет нагрева, но корректировать давление невозможно.

Интервал от 5 до 15 кбар перекрывают газостаты (или газовые бомбы). Более высокие статические давления доступны только твердофазовым установкам. Динамические (ударные) давления могут достигать величин на 3 порядка выше указанных. Подобные давления существуют очень малое время - n 10^-3 c, и создают их чаще всего при взрывах. Так, при подземных ядерных взрывах достигнуты давления примерно 3 10⁴ кбар.