Деформирование и разрушение твердых тел с позиций кинетической структурно-энергетической теории

Новая редакция Определений отображает изменения модели разрушительной флуктуации в элементарном молярном объеме конденсированной среды, исправлены неточности в первоначальном тексте формулировок теории. Теперь изменение от времени свойств молярных параметров квазиравновесного состояния деформированного твердого тела рассматриваются через характеристическую термодинамическую частоту (период) разрушительных ассоциированных флуктуаций в элементарных молярных объемах среды. Это новая физическая характеристика позволяет применить удобный методологический принцип, который раскрывает свойства энергетической модели элементарных необратимых процессов разрушения микроскопического равновесного состояния в твердой среде. Показаны зависимости между микроскопическими энергетическими молярными параметрами характеристической флуктуации и макроскопическими объемными параметрами температура, давление, напряжение. Термодинамическая температура - физическая характеристика равновесного состояния объема макроскопической системы, здесь рассматривается как состояние совокупности пульсирующих идеальных точеных ассоциированных источников-стоков энергии флуктуаций. Элементарный молярный объем содержит один энергетический пульсирующий диполь, который одновременно поглощает и излучает энергию. Это фрагмент макроскопической матрицы равновесной термодинамической системы, внешне подобный атому в матрице кристаллической решетки. Элементарный молярный объем это микроскопическая неравновесная система, которая имеет характерный период релаксации равновесного энергетического состояния, находясь в равновесной макроскопической системе. Этот подход позволил получить простую модель описания механизма энергетической микроскопической флуктуации, аналитические свойства которой представляют волновое уравнение равновесия состояния идеального газа. С этих новых позиций показан физический смысл понятий моль, молярная энергия как функция свойств объемных макроскопических энергетических связей в статистической системе образованной из элементарных микроскопических физических состояний - флуктуаций. С позиций волновой и векторной теории поля рассмотрено уравнение состояния идеального газа и получено структурно-энергетическое уравнение состояния деформированной твердой среды. 

Таким образом, термодинамическое равновесие макроскопической системы (газ, твердое тело) рассматривается через физические параметры разрушительных характеристических флуктуаций в её элементарных молярных объемах. Разрушительная характеристическая флуктуация показана как элементарный акт необратимого разрушения деформированной среды, в результате которого возникает микроскопическая энергия движения - квазичастица энергии разрушения прочности. Характеристические флуктуации образуют поле трехмерной матрицы из идеальных ассоциированных источников потенциальной и кинетической молярной энергии микроскопического теплового движения. Разрушительные флуктуации это квазичастицы образующие термодинамическую систему, свойства которой зависят от структурно- энергетических связей между элементарными структурными единицами, составляющими твердую среду. Обобщенный подход позволяет через энергетические молярные показатели аналитически рассматривать эволюцию структурных взаимодействий частиц или структурных единиц твердого тела, при разрушении, кристаллизации и плавлении через функции молярного объема, молярной энергии вещества и др. 

Полученные результаты исследования позволяют предположить, что посредством измерения кинетических параметров элементарных частиц массы конденсированной среды в свое время (около 1848г.), в функции термодинамической температуры удалось объединить и количественно оценить изменение различных энергий и форм объемного взаимодействия между элементарными состояниями и системами (атом, ион, молекула, решетка, кристаллит, кластер, домен и др.). Речь идет о взаимодействиях, которые проявляется исключительно в свойствах объема ассоциированного структурного состояния вещества (вязкость, плотность, модуль упругости и др.) и практически не наблюдаем у химического элемента периодической таблицы. Уникальные экспериментальные зависимости, полученные под руководством С.Н.Журкова, позволили показать аналитически, что свойства энергии характеристических разрушительных флуктуаций количественно отображают процесс необратимого формоизменения и разрушения, изменения различных скрытых уровней объемного структурного энергетического взаимодействия в среде газа, жидкости, твердого тела. Через энергетические макроскопические и микроскопические молярные параметры флуктуаций, процесс теплового кинетического микроскопического движения материальных частиц газообразного и структурированного твердого веществ в термодинамическом и термомеханическом равновесии соответственно, можно рассматривать с двух сторон. 

Первое. Обратимые процессы. Для одной компоненты деформаций имеем [3,11]:

\(\begin{equation}W_{L}\left ( \sigma ,t \right )= W_{\sigma }\left ( \sigma ,t \right )\cdot Sh\left ( \sigma ,t \right )\end{equation}\)

Где, \(W_{L}\left ( \sigma ,t \right ),\; J/mol\)- молярная энергия деформированной среды, \(W_{\sigma }\left ( \sigma ,t \right ),\; J/m^{3}\)- плотность энергии упругих деформаций или макроскопическое количество энергии упругих деформаций (удельная механическая работа) в геометрическом объеме (формальном, математическом), \(Sh\left ( \sigma ,t \right ),\; m^{3}/mol\)- молярный объем квазичастиц энергии прочности. 

Второе. Необратимые процессы. Для одной компоненты деформаций имеем [3,11]:

\(\begin{equation}\sigma /Sr\left ( \sigma ,t \right )= \sigma \cdot Sh\left ( \sigma ,t \right )= Gr\end{equation}\)

Где,\(Gr,\; J/mol\) - физическая постоянная данного структурно-энергетического состояния материала. \(Sr\left ( \sigma ,t \right ),\; mol/m^{3}\) - молярная плотность квазичастиц или количество разрушительных характеристических энергетических флуктуаций (квазичастиц) в объеме статистической среды (обратная величина \(Sh\)). Это плотность физических энергетических состояний (элементных физических событий) количественно отражающих необратимые структурно-энергетические изменения или число квазичастиц - флуктуаций в единице геометрического объема. Упругая и молярная энергии принципиально разные физические характеристики. Плотность упругой энергии обратимая величина. Энергетические молярные характеристики флуктуаций имеют ряд показателей (период, плотность и объем энергии, локальная мощность и др.) которые количественно отражают свойства необратимо рассеянной микроскопической энергии (диссипацию энергии структурных связей). Молярная энергия возникает при разрушительных флуктуациях и необратимом изменении энергетических кинетических свойств элементарного объема деформированной среды, изменения могут затрагивать разные формы связанного (структурного) движения элементарных частиц массы или их энергетических состояний в объеме деформированного тела. На практике эти микроскопические потоки движения энергии (трансляция) в различных материалах, называют например, ионные связи, вандерваальсовы силы связей и др. Подобным образом материальные космические объекты участвуют в различных устойчивых траекториях движения среди окружающего их астрономического пространства. Например, Луна, спутник Земли, участвует одновременно как минимум в трех разных формальных относительных траекториях движения и т.п. Энергию каждой формы относительного движения можно вычислить.

При деформировании мы наблюдаем экспериментально результаты разрушения энергетических взаимодействий через пластические деформации и флуктуации энергии микроскопического движения элементарных составляющих. Этот необратимый процесс в теории рассматривается как дополнительная кинетическая энергия (молярная энергия) хаотического микроскопического тепломеханического движения идеализированных частиц массы конденсированной среды, которая в свою очередь влияет на скорость разрушительных процессов тепловых флуктуаций. Экспериментально, специальными приборами, наблюдаем эти разрушения как эмиссию различных волновых процессов на элементарных составляющих среды. Аналитически, уравнением состояния, мы связываем энергетические процессы через универсальную меру – термодинамическую температуру. Такой подход был заложен в экспериментах кинетической концепции. Новые представления о разрушительной флуктуации, как квазичастице энергии, позволяют использовать дополнительные физические параметры микроскопических энергетических молярных показателей: объем, величина энергии, мощность, период, ротация, спин и др. Такой подход позволяет рассматривать физический механизм разрушения и свойства молярной энергии в обобщенной физической теории прочности. Этот подход имеет самостоятельное значение и предположительно может быть применен в развитие аналитической теории прочности Лихачева [1*] и эргодинамичесой теории прочности Федорова [2] и некоторых других задачах материаловедения и металлургии.

Связь плотности и потока молярной энергии с параметрами флуктуаций идеального газа и деформированного твердого тела показана в статьях [3,4]. Физическое толкование термодинамического равновесия и термодинамической температуры через характеристические флуктуации позволяет рассматривать объемные взаимодействия структурных единиц твердых тел через свойства прочности в полях температуры и механических напряжений, используя обобщенные энергетические молярные параметры состояния среды как статистической системы. Привычные параметры, количество частиц, температура и масса отражают только часть интересующих нас физических свойств макроскопического взаимодействия разных ассоциированных структурных форм вещества в рассматриваемом объеме. В новой теории нет необходимости рассматривать парные взаимодействия атомов (потенциал Морзе и др.), цепочки связей, использовать механические, геометрические аналогии связи между атомами твердого тела и др. Мы переходим к анализу потоков и плотности микроскопической энергии, в физическом объеме статистической структурированной среды, состоящей из определенного количества квазичастиц энергии. Это стало возможным потому, что в кинетической концепции прочности Журкова была экспериментально и аналитически установлена связь между числом молей квазичастиц энергии, как элементарных физических объемных состояний разрушения контролирующих непрерывное необратимое формоизменение (реологическое течение) статистической физической среды во времени. Этот процесс присутствует в структурно-неоднородной деформированной среде всегда и течет с некоторой скоростью непрерывно, вплоть до момента спонтанного роста частоты разрушительных флуктуаций - хрупкого роста микроскопической или макроскопической трещины.

В структурно-энергетической кинетической теории разрушительная флуктуация – событие, элементарное порция энергии микроскопического движения в макроскопическом пространстве физической среды образованной этими флуктуациями - квазичастицами как элементарными состояниями. Используя понятие элементарного события в физической среде деформированного твердого тела, мы осмысленно и корректно переходим от континуума к зависимостям теории вероятности и статистической физике. Единицей энергетического микроскопического состояния и элементарной порцией движения энергии микроскопических состояний энергии (трансляции) является квазичастица прочности. Мерой квазичастиц служит моль. В теории показано, что для частного случая идеального газа количество частиц массы вещества и количество квазичастиц энергии микроскопического движения возникающего при характеристической флуктуации энергии в элементарном объеме равновесной системы это одно и то же число Авогадро, моль элементарных состояний микроскопической энергии.

Автор приносит свои извинения читателям сайта ED за допущенные неточности в формулировках (статья 3 сайта) терминов свойства потока расходимости молярной кинетической энергии и др. В новой редакции внесены изменения и дополнения. Благодарю за Ваши замечания и предложения. 

* Список источников приведен в конце главы.

Март 2015г Н.А. Штырёв

• Вперёд >