Multidimensional thermodynamic potential for descriptions of ultrathin lubricant film meltingbetween two atomically smooth surfaces

Abstract

The thermodynamic model of ultrathin lubricant film melting, confined between two atomically-flat solid surfaces, is built using the Landau phase transition approach. Non-equilibrium entropy is introduced describing the part of thermal motion conditioned by non-equilibrium and non-homogeneous character of the thermal distribution. The equilibrium entropy changes during the time of transition of non-equilibrium entropy to the equilibrium subsystem. To describe the condition of melting, the variable of the excess volume (disorder parameter) is introduced which arises due to chaotization of a solid structure in the course of melting. The thermodynamic and shear melting is described consistently. The stick-slip mode of melting, which is observed in experiments, are described. It is shown that with growth of shear velocity, the frequency of stiction spikes in the irregular mode increases at first, then it decreases, and the sliding mode comes further characterized by the constant value of friction force. Comparison of the obtained results with experimental data is carried out.

В межах теорiї фазових переходiв Ландау побудовано термодинамiчну модель плавлення ультратонкої плiвки мастила, що затиснута мiж двома атомарно- гладкими твердими поверхнями. Введено нерiвноважну ентропiю, що описує частину теплового руху, який обумовлений нерiвноважним i нерiвномiрним характером теплового розподiлу. Рiвноважна ентропiя змiнюється у часi за рахунок переходу нерiвноважної ентропiї в рiвноважну пiдсистему. Для опису стану мастила введено параметр надлишкового об’єму (параметр безладу), який виникає унаслiдок хаотизацiї структури твердого тiла в процесim плавлення. Узгодженим чином описано термодинамiчне i зсувне плавлення. Описано переривчастий режим плавлення, який спостерiгається в експериментах. Показано, що iз зростанням швидкостi зсуву частота пiкiв прилипання в переривчастому режим і спочатку збiльшується, потiм зменшується, i далi наступає режим ковзання, що характеризується постiйним значенням сили тертя. Проведено порiвняння отриманих результатiв з експериментальними даними.