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1、摩擦力的本质摘要：摩擦学是一门研究表面摩擦行为的技术科学，人们对摩擦现象早有认识，并能运用到生活中。本文从统计热力学熵的本质浅谈摩 擦力的本质与机制，用热力学方法研究摩擦体系。以熵平衡方程为基 础研究摩擦力的机制。关键词：摩擦力，非平衡态热力学，熵增原理。摩擦是什么？在力学层面可以给出定义：摩擦力即相互接触的两个 物体在接触面上发生阻碍相对运动或相对运动趋势的现象。但我们需要 涉及到摩擦力最本质的物理实质它就远远不够了。由于摩擦系统的复杂 性，目前对摩擦机制的认识存在很大的未知区域。传统学说有如下对于 摩擦本质与机制的解释：1.凹凸啮合说，是从15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩 擦力
2、本质的理论。啮合说认为摩擦是由相互接触的物体表面粗糙不平产 生的。两个物体接触挤压时，接触面上很多凹凸部分就相互啮合。如果 一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分相互碰撞，产生断 裂、磨损，就形成了对运动的阻碍。2.粘附说，这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦力本质的 理论。3.最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出。他认为两个表面抛得很 光的金属，摩擦力会增大，可以用两个物体的表面充分接触时，它们的 分子引力将增大来解释。摩擦粘附论。新的摩擦粘附论认为，两个相互接触的表面，无论做得多么光滑，从原子尺度 看，还是粗糙的，有许多微小的凸起，把这样的两个表面放在一起，微 凸起的顶部发生接触，
3、微凸起之外的部分接触面间有10八-8m或更大 的间隙。这样，接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力。如果 这个压力很小，微凸起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大，超过 某一数值（每个凸起上约千分之几牛顿），超过材料的弹性限度，微 凸起的顶部便发生塑性形变，被压成平顶，这时互相接触的两个物体 之间距离变小到分子（原子）引力发生作用的范围，于是，两个紧压着 的接触面上产生了原子性黏合。这时，要使两个彼此接触的表面发生相对 滑动，必须对其中的一个表面施加一个切向力， 来克服分子（原子）间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生 了摩擦。由于摩擦系统具有下列特点：1.摩擦过程是非平衡态不可逆热
4、力学 过程，在非平衡的稳态熵产生为零；2.摩擦过程的稳定性，可以用热力 学稳定条件加以判断；3.摩擦过程个因素作用是非线性的，存在形成耗 散结构的条件；4.根据局部作用原理和居里原理，可以把摩擦系统分成 若干子系统和若干没有耦合的子过程，得到的本构方程，守恒方程和熵 变不等式仍然有效。摩擦使高“质量”的机械能降阶为低“质量”的 热能.因此从不可逆过程热力学角度研究摩擦和磨损问题具有天然的合理性在能量的层面上，现有的研究认为摩擦导致机械能的不可逆耗散. 摩擦接触会导致机械系统发生能量耗散。从非平衡不可逆热力学角度的 研究使我们接受“摩擦导致能量耗散”的观点，根据能量守恒定律，能 量是一个守恒量，
5、能量“耗散”的实质是能量做功能力的衰减，热力 学中的“熵”是唯一能够表征能质衰 减的参量.根据Boltzmann对熵S 的统计力学定义：dSd气 k（ dWdtdtWidt J式中k普朗克常数，W微观状态数.w=嘉 giexp - ； ji; = a exp _; ji =Energyj =QuantumMt MMv Me Mnexp1 ; t ； r; v ; e ； n t =1 r T v=1 e=1 n=1W wW, % Wn（1）其中;t ; r S ; n和WtWWv WeWn分别是线性运动、转动、振动、电子运动和核运动对应的能量状态和微观状态数.这些状态可以由分子动力学模拟获得.
6、摩擦的微观机制及其与摩擦副材料和表面状态间的关系还需要进一步阐述.国内外已经有不少学者尝试从热力学角度解决摩擦问题，例如： 1980年代，Klamecki提出用热力学方法研究摩擦过程，建立和发展了单相、单组分、单体摩擦系统的热力学模型，分析表明存贮于磨屑中的变形能量，必须大于该磨屑的表面能和化学潜能之合数学模型的非线性特征预示可能存在零磨损状态,模型解的非稳定性表明磨损过程会产生质的变化（磨损机理变化）.研究开放体系中处于非平衡态的物体之间摩擦，分析物体间的耗散特性和摩擦过程的稳定性，结果表明因物体间相互接触导致应力重新分布，在非平衡态情况下，机械能的耗散是不可避免 的.随后建立了物体在斜面上
7、的滑动模型，研究滑块在斜面上的运动，表明物体间具有非零相对速度时，系统是非平衡过程，并得出相互耦合的非线性方程，方程的解表明滑动物体间可能存在循环的能量耗散.分析摩擦过程的能量耗散.分析了材料的结构变化和热效应之间的关系.若只考虑热流（矢量）、应力（2阶张量）的影响.不考虑表面生成和系统质量的变化 则 在非平衡静态缺陷生成、转化为热的缺陷湮灭和离开物体的速率可以变 化，而总的熵产生率不变.体系具有形成耗散结构的条件.Zmitrowicz基 于张量分析和连续介质力学，建立系统的控制方程、材料的本征方程和线性唯象理论，然后再建立摩擦、磨损和 摩擦热的本征方程，最后结合具体条件得出简化模型.研究包含
8、非线性、全局性的摩擦磨损和摩擦热的本构方程和建立这些本 构方程的一般方法.借助于客观的假说和一些著名的实验事实，得到了 本构方程的简化形式.该研究为建立普遍的摩擦系统的定量数学模型迈出了有价值的一步.但该模型对系统 的力学、热学因素考虑较多，而对电作用和摩擦化学反应等摩擦过程中不可忽视的因素关注较少，模型的分析和预测有待于实验的检验.Lashkhi等人把固体热力学理论引入解释减摩耐磨添加剂的作 用.运用机械-分子摩擦理论，发现形成单位面积的固体所需做的功为固 气界面能的2倍，而固气界面能等于化学能和几何能变化引起的表面热焓的变值.通过理论分析和实验验证，发现减摩添加剂和抗磨添加剂的作用机理是不
9、同的.前者主要通过形成低焰点表层，降低硬度和强度，达到减摩效果.而后者通 过改变承载区材料的热弹性性能达到抗磨效果.这种由于化学作用而获得的表面区和基体材料性能的不同，由于摩擦的热作用和材料强度随温度变化而导致的表面层和基体材料性能的不 同,可以用Rozeanu和Pnuell的热-机械模型来加以解 释，并预测其失 效.以非平衡的不可逆过程热力学的基本方程质量、能量、动量和熵平衡关系为基础，引入熵产生表征能量的耗散和磨损率，根据熵平 衡方程，将引起熵变化的因素分为热传导、扩散、粘滞性流动和化学反 应4个子过程，讨论各个子过程间的相互作用.以非平衡态热力学的基 本方程为基础，实现摩擦过程的非平衡态
10、热力学表征.该表征的核心是 熵平衡方程.以非平衡态热力学的守恒方程为基础，在局部平衡原理的 假设下，建立热力学唯象方程，单位体积的熵平衡表示为S和t为单位体积的熵和时间，JS熵流和二熵源强度分别为Js - SU “LjT.T(3)f 1)Jid MiFi17 l + En(4)m i式的右边分别表示由对流SU热传导J%和扩散所导致的熵流-（4） 式右边第1项表示热传导过程的熵产生 Jq为热力学流，上为热力学 力，与摩擦过程的温度场和传热有关.第2项为扩T散过程的熵产生，包含热扩散、热电及外加电场造成的电子（空穴） 流动，材料内元素的迁移和磨损等因素.其中为第i个过程的热力学 流，7.T MiF
11、iT为由化学势和体积力组成的热力学力，第3项为粘滞性流动 过程的熵产生HI/T为粘性应力张量-? U为速度梯度.最后用反应推动力 人：T和反应速度表示化学反应过程的热力学力和热力学流.对摩擦机制的分析可见，以“熵”为摩擦能耗的特征参数可借助于非平衡态不可逆过程热力学和非平衡态统计物理学的理论，构 建联系系统微观、细观和宏观行为的桥梁.宏观上，摩擦过程的熵变化 能够在非平衡态热力学的守恒方程和熵平衡方程的基础上分析获得微观 上，“熵”可将系统的微观结构参数和熵的变化关联起来.实现微观结 构量与宏观性能间的关联.参考文献：【1】摩擦学原理郑林庆（高等教育出版社） 【2】摩擦体系结构分析和定量建模的熵探索戴振东，薛群基（南京航空航天大学学报）
