Abstract

Using the modified formalism of [Dorogokupets, Oganov, 2005, 2007], equations of state are developed for diamond, Ag, Al, Au, Cu, Mo, Nb, Pt, Ta, and W by simultaneous optimization of shock-wave data, ultrasonic, X-ray, dilatometric and thermochemical measurements in the temperature range from ~100 K to the melting temperature and pressures up to several Mbar, depending on the substance. The room-temperature isotherm is given in two forms: (1) the equation from [Holzapfel, 2001, 2010] which is the interpolation between the low pressure (x≥1) and the pressure at infinite compression (x=0); it corresponds to the Thomas-Fermi model, and (2) the equation from [Vinet et al., 1987]. The volume dependence of the Grüneisen parameter is calculated according to equations from [Zharkov, Kalinin, 1971; Burakovsky, Preston, 2004] with adjustable parameters, t and δ. The room-temperature isotherm and the pressure on the Hugoniot adiabat are determined by three parameters, K', t and δ, and K0 is calculated from ultrasonic measurements. In our study, reasonably accurate descriptions of all of the basic thermodynamic functions of metals are derived from a simple equation of state with a minimal set of adjustable parameters. The pressure calculated from room-temperature isotherms can be correlated with a shift of the ruby R1 line. Simultaneous measurements of the shift and unit cell parameters of metals are conducted in mediums containing helium [Dewaele et al., 2004b; 2008; Takemura, Dewaele, 2008; Takemura, Singh, 2006], hydrogen [Chijioke et al., 2005] and argon [Tang et al., 2010]. According to [Takemura, 2001], the helium medium in diamond anvil cells provides for quasi-hydrostatic conditions; therefore, the ruby pressure scale, that is calibrated for the ten substances, can be considered close to equilibrium or almost absolute. The ruby pressure scale is given as P(GPa)=1870⋅Δλ/λ0⋅(1+6⋅Δλ/λ0). The room-temperature isotherms corrected with regard to the ruby scale can also be considered close to equilibrium or almost absolute. Therefore, the equations of state of the nine metals and diamond, which are developed in our study, can be viewed as almost absolute equations of state for the quasi-hydrostatic conditions. In other words, these equations agree with each other, with the ruby pressure scale, and they are close to equilibrium in terms of thermodynamics. The PVT relations derived from these equations can be used as mutually agreed pressure scales for diamond anvil cells in studies of PVT properties of minerals in a wide range of temperatures and pressures. The error of the recommended equations of the state of substances and the ruby pressure scale is about 2 or 3 per cent. Calculated PVT relations and thermodynamics data are available at http://labpet.crust.irk.ru.

Highlights

  • Аннотация: По единой схеме с использованием модифицированного формализма из [Dorogokupets, Oganov, 2005, 2007] построены уравнения состояния алмаза, Ag, Al, Au, Cu, Mo, Nb, Pt, Ta, W путем одновременной оптимизации ударных данных, ультразвуковых, рентгеновских, дилатометрических и термохимических измерений в диапазоне температур от ~100 К до температуры плавления и до давлений несколько Mbar в зависимости от вещества

  • Расчет P–V–T соотношений и термодинамики по предложенным уравнениям состояния доступен по адресу http://labpet. crust.irk.ru/

  • Equations of state for solids at high pressures and temperatures

Read more

Summary

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время достигнуты большие успехи в изучении P–V–T свойств минералов и веществ в алмазных наковальнях и многопуансонных аппаратах в приложении к изучению мантии и ядра Земли [Bassett, 2009; Hemley, 2010; Liebermann, 2011]. К сожалению, в области таких давлений (1–3 Mbar) не существует прямых барометров, поэтому давление в алмазных наковальнях измеряется с помощью специальных шкал, которые представляют собой уравнения состояния веществ с известной зависимостью давления от объема и температуры. Как выбрать такие уравнения состояния веществ, которые с той ли иной степенью приближения можно отнести к почти абсолютным или взаимосогласованным. К сожалению, для металлов, которые обычно используются в качестве шкал давления, такие измерения отсутствуют. Наиболее логичный путь получения абсолютных шкал давления состоит в расчете комнатных изотерм металлов из ударно-волновых измерений и сравнении их с независимыми измерениями в алмазных наковальнях в такой же области давлений, хотя существует противоположная точка зрения [Holzapfel, 2010]. Как отмечали авторы работы [McQeen et al, 1965], «...кривые Гюгонио не соответствуют каким-либо термодинамическим кривым или процессам, а являются геометрическим местом точек, соответствующих конечным состояниям, которые могут быть получены из данного начального состояния при прохождении одиночной ударной волны». Все это позволит нам описать термодинамику рассматриваемых веществ с минимальным набором подгоночных параметров

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
КАЛИБРОВКА РУБИНОВОЙ ШКАЛЫ ДАВЛЕНИЙ ПО
ПОЧТИ АБСОЛЮТНЫЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ
КОМНАТНАЯ ИЗОТЕРМА hcp-Fe
СРАВНЕНИЕ С ДРУГИМИ УРАВНЕНИЯМИ СОСТОЯНИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
10. ПРИЛОЖЕНИЯ APPENDIX
10. ЛИТЕРАТУРА
Full Text
Published version (Free)

Talk to us

Join us for a 30 min session where you can share your feedback and ask us any queries you have

Schedule a call