Молекулярно механическая

Коэффициент теплопроводности Я, в законе Фурье (8.1) характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов теплопроводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности X = <7/grad / равен плотности теплового потока при градиенте температуры 1 К/м. Понять влияние различных параметров, а иногда и оценить значение Я, можно на основе рассмотрения механизма переноса теплоты в веществе. Согласно молекулярно-кинетической теории коэффициент теплопроводности в газах зависит в основном от скорости движения молекул, которая в свою очередь возрастает с увеличением температуры

В газах носителями тепловой энергии являются хаотически движущиеся молекулы. За счет соударения и перемешивания молекул энергия из зон с более высокой температурой, где молекулы движутся быстрее, передается в зоны с более низкой температурой. Согласно молекулярно-кинетической теории коэффициент теплопроводности в газах зависит в основном от скорости движения молекул, которая в свою очередь возрастает с увеличением температуры и уменьшением массы молекул. Наибольшей теплопроводностью обладает самый легкий газ — водород. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода А,« «0,2 Вт/(м-К). У более тяжелых газов теплопроводность меньше — у диоксида углерода Х«0,02Вт/(мХ ХК), у воздуха Я,«0,025 Вт/(м-К).

Согласно молекулярно-кинетической теории кристаллизации Я. И. Френкеля, М. Фольмера и В. И. Данилова самопроизвольное возникновение центров кристаллизации происходит при наличии в жидкости гетерофазных флуктуации — небольших участков, имеющих такое же расположение молекул, как и в кристалле.

Второй метод — статистический. В его основе лежат все' выводы молекулярно-кинетической теории о материи. Этот метод применяется в статистической физике и приводит к тем же результатам, что и первый, но чисто теоретическим путем.

Давление. Согласно молекулярно-кинетической теории вещества, давление газа является результатом ударов молекул о стенки сосуда. Основная особенность движения молекул газа — его хаотичность, т. е. ни одно из направлений движения молекул не является преимущественным. Следовательно, в среднем во всех направлениях движется одинаковое число молекул. Этим объясняется способность газов оказывать одинаковое давление на стенки сосуда во всех направлениях.

Согласно выводам молекулярно-кинетической теории газов, которые даются в курсе физики, давление идеального газа на стенки определяется из выражения '

Уравнение (5) — основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Оно формулируется следующим образом: давление газа численно равно 2/3 кинетической энергии поступательного движения молекул, заключенных в единице объема.

Температура. Согласно молекулярно-кинетической теории вещества, температура характеризуется внутренней кинетической энергией тела, определяемой скоростью поступательного движения молекул. Чем больше средняя скорость поступательного движения молекул вещества, тем выше его температура. Температура характеризует тепловое состояние тела и определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами.

Из молекулярно-кинетической теории следует, что кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа —— прямо пропорциональна абсолютной температуре Т, т. е.

Газовые законы были открыты опытным путем при исследовании поведения реальных газов в определенных условиях. В дальнейшем с развитием молекулярно-кинетической теории газа законы и уравнения состояния идеальных газов стало возможным выводить теоретическим путем.

Обобщенный закон Бойля — Мариотта и Гей-Люссака устанавливает связь между термодинамическими параметрами р, v и Т в процессе изменения состояния идеального газа. Исходя из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов (5) в курсе физики-делается вывод, что для любого состояния газа

Молекулярно-механическая теория трения и усталостная теория изнашивания позволяет рассчитать равновесную шероховатость трущихся поверхностей, исходя из следующих допущений.

Связь трения и износа с неровностями поверхности. Современная молекулярно-механическая теория трения объясняет силу сухого (и граничного) трения скольжения образованием и разрушением адгезионных 1 мостиков холодной сварки контактирующих участков шероховатой поверхности и зацеплением (и внедрением) неровностей [10, 40]. Трение обусловлено объемным деформированием материала и преодолением межмолекулярных связей, возникающих между сближенными участками трущихся поверхностей. При этом износ протекает в виде отделения частиц за счет многократного изменения напряжения и деформации на пятнах фактического контакта при внедрении неровностей истирающей поверхности в истираемую поверхность. Во многих случаях износ имеет усталостный характер растрескивания поверхностного слоя под влиянием повторных механических и термических напряжений, соединения трещин на некоторой глубине и отделения материала от изнашиваемого тела. Интенсивность изнашивания зависит от величины фактического контакта и напряженного состояния изнашиваемого тела, которые в свою очередь в сильной степени зависят от размеров и формы неровностей и, в частности, от радиусов закругления выступов. В обычных условиях истирающая поверхность является существенно более жесткой и шероховатой по сравнению с той, износ которой определяется, и ее неровности оказываются статистически стабильными при установившемся режиме трения. Таким образом, в отношении износостойкости деталей неровности их поверхностей имеют первостепенное значение.

Молекулярно-механическая теория трения и износа [40] приводит к следующим формулам, описывающим связь интен-

3. Крагельский И. В., Молекулярно-механическая теория трения, Труды 2-й Всесоюзной конференции по трению и износу, Изд-во АН СССР, т. III, 1949.

В настолящее время широко признанным является представление о двойственной молекулярно-механической природе трения. Наиболее развитой и физически обоснованной считается молекулярно-механическая теория трения, разработанная советскими учеными [5, 14, 16, 17].

Молекулярно-механическая теория трения исходит из того, что контакт двух поверхностей дискретен, т. е. осуществляется по отдельным макроплощадкам, суммарная площадь которых составляет площадь фактического контакта Аг. Точки фактического контакта сосредотачиваются в отдельных областях, называемых контурными участками, общая площадь которых равна Ас. Наличие контурных участков объясняется волнистостью поверхностей. Контурные площадки располагаются на номинальной площади Аа — площади, ограниченной размерами поверхности трения тела. Схема контактирования показана на рис. 6.

Согласно молекулярно-механической теории трения сила трения рассматривается как сумма двух составляющих: силы, обусловленной молекулярным (адгезионным) взаимодействием поверхностей, и силы, возникающей в результате деформирования поверхностей (механическая составляющая).

Адгезионно-деформационная или молекулярно-механическая теория трения твердых тел (внешнего трения) дает представление о природе износа, главных действующих факторах, и показывает возможность описания основных закономерностей трения. Согласно этой теории процесс трения сопровождается комплексом явлений: взаимодействием контактирующих поверхностей, физико-химическим изменением поверхностных слоев трущихся пар, разрушением (износом) поверхностей. В связи с существенной дискретностью фрикционного контакта, различием температурного и напряженного состояния в отдельных точках контакта,

Сложность процессов, протекающих в зоне контакта твердых тел, способствовала возникновению различных гипотез и теорий внешнего трения. Известны молекулярная, механическая, молекулярно-механическая, электрическая и другие теории трения. Наиболее глубокое развитие получила молекулярно-механнческая теория внешнего трения, предложенная советским ученым И. В. Крагельским и независимо от него английским физиком Ф. Боуденом. Эта теория базируется на представлении о двойственной природе трения и дискретном характере контакта между реальными поверхностями твердых тел. Неровности на поверхности любого твердого тела обусловливают контакт на отдельных элементарных площадках (пятнах) касания. Общая площадь фактического контакта 5ф складывается из суммы площадей от-

По всем трем явлениям проведены большие исследовательские работы, опубликованы многочисленные статьи и написано несколько монографий. В целом это направление именуется как молекулярно-мехадическая теория трения и изнашивания, цель которой дать инженерный расчет на трение и износ. Эта задача еще далека от завершения. Тем не менее молекулярно-механическая теория трения и изнашивания наиболее полно отражает физическую картину изнашивания в режимах трения при граничной смазке и без смазочного материала.

Сложность процессов, протекающих в зоне контакта, обусловила возникновение различных теорий внешнего трения. Наиболее полно силовое взаимодействие твердых тел объясняет молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория трения, которая исходит из дискретности контакта трущихся поверхностей. Из-за шероховатостей соприкосновение поверхностей возникает в отдельных пятнах касания, образующихся от взаимного внедрения микронеровностей или их пластического смятия. Взаимодействие скользящих поверхностей в этих пятнах согласно теории имеет двойственную природу — деформационную и адгезионную. Деформационное взаимодействие обусловлено многократным деформированием микрообъемов поверхностного слоя внедрившимися неровностями. Сопротивление этому деформированию называют деформационной составляющей силы трения Fa. Адгезионное взаимодействие связано с образованием на участках контакта адгезионных мостиков сварки. Сопротивление срезу этих мостиков и формирование новых определяет адгезионную составляющую силы трения Faa. Таким образом, сила трения так же, как и другая важная фрикционная характеристика — коэффициент трения /, по определению равный отношению силы трения F к нормальной нагрузке N: f = F/N, определяются как сумма двух составляющих:

Молекулярно-механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материала: