Fisika fenomena tekanan tinggi

Fenomena tekanan tinggi, perubahan karakteristik fisik, kimia, dan struktural yang penting terjadi ketika mengalami tekanan tinggi. Tekanan dengan demikian berfungsi sebagai alat serbaguna dalam penelitian bahan, dan sangat penting dalam penyelidikan batuan dan mineral yang membentuk interior bumi dan planet-planet lain.

Tekanan, didefinisikan sebagai gaya yang diterapkan pada suatu daerah, adalah variabel termokimia yang menginduksi perubahan fisik dan kimia yang sebanding dengan efek suhu yang lebih akrab. Air cair, misalnya, berubah menjadi es padat ketika didinginkan pada suhu di bawah 0 ° C (32 ° F), tetapi es juga dapat diproduksi pada suhu kamar dengan mengompres air ke tekanan kira-kira 10.000 kali di atas tekanan atmosfer. Demikian pula, air mengkonversi ke bentuk gasnya pada suhu tinggi atau pada tekanan rendah.

Terlepas dari kesamaan dangkal antara suhu dan tekanan, kedua variabel ini pada dasarnya berbeda dalam cara mereka mempengaruhi energi internal material. Variasi suhu mencerminkan perubahan dalam energi kinetik dan dengan demikian dalam perilaku termodinamika atom bergetar. Tekanan yang meningkat, di sisi lain, mengubah energi ikatan atom dengan memaksa atom saling berdekatan dalam volume yang lebih kecil. Tekanan dengan demikian berfungsi sebagai penyelidikan kuat interaksi atom dan ikatan kimia. Selain itu, tekanan adalah alat penting untuk mensintesis struktur padat, termasuk bahan superhard, gas dan cairan padat baru, dan fase seperti mineral yang diduga terjadi jauh di dalam Bumi dan planet lain.

Banyak unit untuk mengukur tekanan telah diperkenalkan dan, kadang-kadang, bingung dalam literatur. Atmosfer (atm; sekitar 1,034 kilogram per sentimeter persegi [14,7 pon per inci persegi], setara dengan berat sekitar 30.000 raksa) dan batangan (setara dengan satu kilogram per sentimeter persegi) sering dikutip. Secara kebetulan, unit-unit ini hampir identik (1 bar = 0,987 atm). Pascal, didefinisikan sebagai satu newton per meter persegi (1 Pa = 0,00001 bar), adalah satuan tekanan SI (Système International d'Unités) resmi. Namun demikian, pascal belum mendapatkan penerimaan universal di antara para peneliti tekanan tinggi, mungkin karena kebutuhan canggung menggunakan gigapascal (1 GPa = 10.000 bar) dan terapascal (1 TPa = 10.000.000 bar) dalam menggambarkan hasil tekanan tinggi.

Dalam pengalaman sehari-hari, tekanan yang lebih besar dari ambien ditemui di, misalnya, pressure cooker (sekitar 1,5 atm), ban mobil dan truk pneumatik (biasanya 2 hingga 3 atm), dan sistem uap (hingga 20 atm). Dalam konteks penelitian material, “tekanan tinggi” biasanya merujuk pada tekanan dalam kisaran ribuan hingga jutaan atmosfer.

Studi materi di bawah tekanan tinggi sangat penting dalam konteks planet. Objek di parit terdalam Samudra Pasifik dikenakan sekitar 0,1 GPa (sekitar 1.000 atm), setara dengan tekanan di bawah kolom batu sepanjang tiga kilometer. Tekanan di pusat Bumi melebihi 300 GPa, dan tekanan di dalam planet terbesar — ​​Saturnus dan Jupiter — masing-masing diperkirakan sekitar 2 dan 10 TPa. Pada ekstrem atas, tekanan di dalam bintang dapat melebihi 1.000.000.000 TPa.

Menghasilkan tekanan tinggi

Para ilmuwan mempelajari bahan pada tekanan tinggi dengan membatasi sampel dalam mesin yang dirancang khusus yang menerapkan gaya ke daerah sampel. Sebelum tahun 1900 studi-studi ini dilakukan pada silinder besi atau baja yang agak kasar, biasanya dengan segel sekrup yang relatif tidak efisien. Tekanan laboratorium maksimum dibatasi hingga sekitar 0,3 GPa, dan ledakan silinder adalah kejadian yang umum dan kadang-kadang merugikan. Peningkatan dramatis dalam peralatan tekanan tinggi dan teknik pengukuran diperkenalkan oleh fisikawan Amerika Percy Williams Bridgman dari Universitas Harvard di Cambridge, Mass. Pada tahun 1905 Bridgman menemukan metode pengemasan sampel bertekanan, termasuk gas dan cairan, sedemikian rupa sehingga penyegelan gasket selalu mengalami tekanan lebih tinggi daripada sampel yang diteliti, sehingga membatasi sampel dan mengurangi risiko kegagalan eksperimental. Bridgman tidak hanya secara rutin mencapai tekanan di atas 30.000 atm, tetapi ia juga mampu mempelajari cairan dan sampel sulit lainnya.