Молекулярное взаимодействие

При течении жидкостей внутри проницаемых матриц теплообменных элементов перенос теплоты в жидкости осуществляется не только за счет молекулярной теплопроводности, но и в результате турбулентного перемешивания. Ускорение или замедление потока и задержка частиц в застойных зонах могут дополнительно генерировать или подавлять турбулентность потока.

от неметаллических жидкостей в жидких металлах процессы молекулярной теплопроводности приобретают важную роль не только в пристеночной области, по н и турбулентном ядре потока. В предельном случае, когда /\—+'-Г* а Рг—>-0, молекулярная теплопроводность становится основным способом переноса тепла, гак как интенсивность конвективного теплообмена по сравнению с ней оказывается ничтожно малой.

В жидких металлах температурное иоле но поперечному селению турбулентного потока имсог профиль, характерный для течения неметаллических жидкостей при ламинарном ре/кпме а труОах. Поскольку в жидких металлах Рг<;1, то они характеризуются большой толщиной теплового погранично 'о слоя и малой длиной начального участка тепловой стабилизации по сравнению с длиной начального участка 'гидродинамической стабилизации. Малая длина участка тепловой стабилизации означает, что в жидких металлах наблюдаются значительные аксиальные температурные градиенты, которые могут иметь порядок величин, одинаковый с радиальными температурными градиентами, что в неметаллических жидкостях не имело места. Поэтому появляется необходимость учета переноса тепла за счет продольной молекулярной теплопроводности в жидких металлах.

В рассматриваемом случае вектор <7т, т должен учитывать перенос теплоты как молекулярной, так и турбулентной теплопроводностью. Перенос теплоты за счет молекулярной теплопроводности, описываемый законом Фурье <7т = — KVT, заметную роль играет лишь у стенки в области вязкого подслоя (здесь Т — осредненное во времени локальное значение температуры в турбулентном потоке — см. § 4-5).

Зависимости (18-48) и (18-50) с учетом молекулярной теплопроводности можно представить в виде уравнения

Далее нужно учесть температурный перепад в пристенном слое жидкости. У самой стенки перенос тепла осуществляется путем молекулярной теплопроводности. Тепловой поток q является постоянной величиной. Поэтому на основе закона Фурье выражение для д

Далее нужно учесть температурный напор в пристенном слое жидкости. У самой стенки перенос теплоты осуществляется путем молекулярной теплопроводности. Плотность теплового потока q является постоянной величиной. Поэтому на основе закона Фурье выражение для q можно записать в виде

Перенос теплоты в системе диссоциирующими теплоносителями осуществляется не только за счет молекулярной теплопроводности газа, но и в результате химических реакций. Дополнительный отвод теплоты с тепловыделяющих поверхностей происходит благодаря ее поглощению на реакции диссоциации; охлаждаясь в теплообменнике, газ ассоциирует с выделением поглощенной теплоты.

Естественная конвекция. При естественной (свободной) конвекции движение жидкости полностью определяется процессом теплообмена. В жидких металлах влияние молекулярной теплопроводности распространяется далеко за область гидродинамического пограничного слоя, где поле скорости определяется не молекулярной вязкостью, а турбулентной (v •-•' v.r). В таком случае Nu = = / (Gr Pr2).

Для имитации в вакуумной камере условий космического пространства кроме создания требуемого вакуума необходимо выдерживать условия, обусловленные излучением, ибо конвективный тепловой поток и отвод тепла посредством молекулярной теплопроводности определяются давлением и в вакууме они равны нулю.

Тепловой поток вследствие молекулярной теплопроводности в условиях, когда длина свободного пробега молекул много меньше характерного размера системы (т. е. при сравнительно высоких давлениях), для системы двух параллельных плоскостей определяется выражением

Процессы трения рассматривают на моделях, позволяющих оценить молекулярное взаимодействие материалов контактирующих тел с учетом влияния внешней среды (оксиды, пленка, смазка). Первоначально разработанные теории механического сцепления, молекулярного притяжения, сваривания, среза и пропахивания получили значительное развитие в молекулярно-механической теории трения, нашедшей наиболее широкое распространение. Согласно этой теории процесс трения происходит не только на границе раздела твердых тел, но и в некотором объеме поверхностных слоев, физико-механические свойства которых отличаются от свойств материалов в объеме тел. Это связано с деформированием поверхностных слоев, с изменением температуры, с образованием слоев адсорбированных паров влаги или газов, с образованием пленок оксидов, атомов или молекул окружающей среды и т. п.

Процессы трения рассматривают на моделях, позволяющих оценить молекулярное взаимодействие материалов контактирующих тел с учетом влияния внешней среды (оксиды, пленка, смазка). Первоначально разработанные теории механического сцепления, молекулярного притяжения, сваривания, среза и пропахивания получили значительное развитие в молекулярно-механической теории трения, нашедшей наиболее широкое распространение. Согласно этой теории процесс трения происходит не только на границе раздела твердых тел, но и в некотором объеме поверхностных слоев, физико-механические свойства которых отличаются от свойств материалов в объеме тел. Это связано с деформированием поверхностных слоев, с изменением температуры, с образованием слоев адсорбированных паров влаги или газов, с образованием пленок оксидов, атомов или молекул окружающей среды и т. п.

Взаимодействии поверхностей трения может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедрении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением в случае скольжения грубых поверхностей. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только обусловливает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей, но и может привести к вырывам материала. Схватывание возникает только при взаимодействии металлических материалов и отличается от адгезии более прочными связями. Оно наблюдается при разрушении масляной пленки и взаимном внедрении поверхностей.

Налипание на поверхность посторонних частиц происходит в результате процессов адгезии, когезии, адсорбции, диффузии. в результате молекулярных взаимодействий, проявления различных химических связей и действия сил электрического происхождения. Типичным примером интенсивных""адгезионных процессов является наростообразование на режущих поверхностях инструментов в процессе обработки металлов. В результате действия в зоне резания высоких температур и давлений облегчается молекулярное взаимодействие между материалами инструмента и сбегающей стружки и на поверхности инструмента (например, резца) образуется характерный нарост (см. рис. 24, к), который изменяет режущие свойства инструмента и оказывает решающие влияния' на его стойкость (долговечность). Нарост часто проявляется в виде загрязнения фильтров (рис. 22, а), внутренних стенок корпусов редукторов, открытых поверхностей (рис. 22, б).

из-за эффекта выравнивания эпюры давлений и поэтому интен--сивность разрушения микровыступов значительно снижается. Кроме того, слой смазки предотвращает молекулярное взаимодействие. При сухом трении имеет место непосредственный контакт микровыступов и нагрузка концентрируется в отдельных зонах,:: При относительном перемещении напряжение в микровыступах может падать до нуля ((Тт1п =0) и коэффициент асимметрии цикла равен нулю или имеет малую величину. Здесь создаются условия; для усталостного разрушения или пластической деформации- ми-;

Расчетные методы износостойкости строятся на физических трактовках процесса изнашивания. Остановимся только на некоторых методах, подтвержденных экспериментальными данными. И. В. Крагельский [43] исходит из того, что взаимодействие поверхностей имеет двойственную молекулярно-меха-ническую природу. Молекулярное взаимодействие обусловлено взаимным притяжением двух твердых тел, их адгезией, а механическое — взаимным внедрением элементов сжатых поверхностей. В зависимости от величины адгезии и относительной глубины внедрения будут иметь место: упругое оттеснение материала; пластическое оттеснение; срез внедрившегося материала; схватывание пленок, покрывающих поверхности твердых тел, и их разрушение; схватывание поверхностей, сопровождающееся глубинным выравниванием материала.

Для выбранных режимов трения на участках непосредственного контактирования развиваются колоссальные .давления, измеряемые сотнями мегапаскалеи и вызывающие пластическое течение материала, местные фазовые и структурные превращения поверхностного слоя. Пластические деформации приводят к выделению тепла трения в зонах контактирования. В зависимости от интенсивности процесса и условий теплоотвода температура поверхностей трения может достигать различных, иногда весьма значительных величин. Молекулярное взаимодействие контактируемых тел приводит к нарушению термодинамического равновесия кристаллических решеток и наиболее полно проявляется при схва-

Молекулярное взаимодействие, обусловленное взаимодействием атомов на сближенных участках поверхностей гребешков микронеровностей, приводит к нарушению термодинамического равновесия кристаллических решеток на контактирующих участках и наиболее полно проявляется при схватывании твердых тел. В этих условиях в полной мере проявляется механизм, объясняемый адгезионно-деформационной теорией [26]. Очаги микросхватывания в режиме ИП развиваются в более мягком, чем материал чугунного или хромированного .кольца, тонком слое меди, не вызывая глубинного повреждения основного металла. Вновь образуются активизированные пластической деформацией участки поверхности; они свободны от разделяющих пленок при наличии смазки и пульсирующих нагрузок при контактировании с микронеровностями контртела. Возникают площадки с высокой температурой и микрогальванические пары, активизирующие диффузионные и электрохимические процессы. Это способствует молекулярному переносу и миграции ионов меди на ювенильные поверхности. Обогащение тонких слоев поверхности трения медью создает особую структуру граничного слоя, обеспечивающего при определенных режимах минимальные износ и коэффициент трения, а также способствующего реализации правила положительного градиента по глубине материала [2].

Более того, суммарное молекулярное взаимодействие двух шариков или плоских поверхностей будет иметь определенную величину даже тогда, когда никакого контакта между ними нет и поверхности разделены зазором. При этом сила взаимодействия, как показывают расчеты, должна убывать обратно пропорционально квадрату или даже кубу величины зазора в наиболее узком его месте, становясь чрезвычайно малой уже при зазорах порядка микрона.

Рис. 65. Молекулярное взаимодействие при отсутствии контакта

Очевидно, что трение представляет процесс, обусловленный двумя факторами: преодолением механического зацепления, с одной стороны, и молекулярным взаимодействием,—с другой. Молекулярное взаимодействие тел невозможно