Термодинамический подход

Интерес к микроскопическим актам образования дефектов обусловлен прежде всего тем, что между поведением материалов на микро- и макроуровнях существует тесная взаимосвязь. Установить эту связь можно на основе термодинамического подхода. Образование дефектов влечет за собой соответствующее изменение общего состояния поверхностного слоя, характеризуемого внутренней энергией и энтропией. Согласно термодинамике поверхностный слой можно рассматривать как открытую термодинамическую систему, способную обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Наличие сорбционных процессов на поверхности материалов делает их схожими с мембранами, но в отличие от обычных мембранных систем поверхностный слой обладает еще и объемными характеристиками и, следовательно, комплексом собственных характеристик. В рамках термодинамического подхода стало возможным пользоваться общими понятиями и использовать параметры состояния, пригодные для описания любых макроскопических систем, а также в удобной форме, через изменение термодинамических потенциалов, учитывать адсорбционные и другие эффекты. Применительно к описанию изнашивания были попытки установить уравнения состояния поверхностного слоя в виде общих уравнений баланса энергии или баланса энтропии. Это привело к созданию энергетических моделей, представлявших функциональную зависимость интенсивности изнашивания:

J = f (U, S, t, ...), (4.46)

где U - внутренняя энергия; S – энтропия; t - время.

В основу термодинамического подхода легли следующие идеи:

в поверхностном слое изнашиваемого материала можно выделить объем, находящийся в состоянии локального равновесия;

процессы трения и изнашивания могут быть описаны уравнениями энергетического баланса;

скорость изнашивания контролируется скоростью производства энтропии.

Изучению и разработке энергетических моделей были посвящены работы А.Д. Дубинина, Б.В. Протасова, В.А. Буфеева, Б.И. Костецкого, Ю.И. Линника, Л.И. Бершадского, Ю.К. Машкова, Б.М. Силаева, А.А. Полякова, А.А. Рыжова, Г. Польцера, Г. Пурше, Г. Фляйшера и др.

Уравнение баланса энтропии, записанное для локальной области, в которой применим принцип локального термодинамического равновесия, имеет вид (3.13).

Однако в этих моделях не был учтен тот факт что при деформации активируются самоорганизующиеся диссипативные процессы, в результате которых перед разрушением в деформируемом материале вместо ожидаемого хаоса и деградации наблюдаются высокоупорядоченные структуры, т.е. из системы непрерывно «откачивается» энтропия, образуемая в ходе накопления дефектов, и система самоупорядочится. Кроме того, известен факт, что на стадии исчерпания пластичности преимущественная роль отводится коллективным процессам, охватывающих масштаб больший, чем размеры локальных областей внутри дислокационных ячеек, учет которых в выражении (3.13) не предусмотрен. Изнашивание - сугубо неравновесно-необратимый процесс, описание которого скорее может быть получено не из уравнений баланса в рамках равновесной и неравновесной термодинамики, а из кинетической теории неравновесных процессов.