Výpočetní termodynamika - Computational thermodynamics

Výpočetní termodynamika je použití počítačů k simulaci termodynamické specifické problémy věda o materiálech, zvláště se používá při konstrukci fázových diagramů.[1] K provádění těchto operací existuje několik otevřených a komerčních programů. Koncept techniky je minimalizace Gibbsova volná energie systému; úspěch této metody je způsoben nejen správným měřením termodynamických vlastností, jako jsou vlastnosti v seznam termodynamických vlastností, ale také kvůli extrapolaci vlastností metastabilních allotropes z chemické prvky.

Dějiny

Výpočtové modelování fázových diagramů na bázi kovů, jehož počátky sahají na začátek minulého století hlavně od roku Johannes van Laar a modelování běžná řešení, se v posledních letech vyvinul na CALPHAD (VÝPOČET diagramů PHAse).[2] Toto bylo propagováno Američany hutník Larry Kaufman od 70. let.[3][4][5]

Aktuální stav

Výpočtová termodynamika může být považována za součást materiály informatika a je základním kamenem konceptů za genom materiálů projekt. Zatímco krystalografické databáze se používají hlavně jako referenční zdroj, termodynamické databáze představují jeden z prvních příkladů informatiky, protože tyto databáze byly integrovány do termochemické výpočty mapovat fázovou stabilitu v binárním a ternárním režimu slitiny.[6] Mnoho konceptů a softwaru používaných ve výpočetní termodynamice je připisováno skupině SGTE, a konsorcium věnovaný vývoji termodynamických databází; databáze otevřených prvků je volně dostupná[7] na základě příspěvku Dinsdale.[8] Tento takzvaný „unární“ systém se ukazuje jako běžný základ pro vývoj binárních a vícenásobných systémů a v této oblasti je používán komerčním i otevřeným softwarem.

Jak však bylo uvedeno v nedávné době[když? ] Dokumenty a schůzky CALPHAD, taková databáze Dinsdale / SGTE bude pravděpodobně muset být časem opravena navzdory užitečnosti při zachování společné základny. V tomto případě bude pravděpodobně nutné revidovat většinu publikovaných hodnocení, podobně jako při přestavbě domu kvůli silně rozbitému základu. Tento koncept byl také zobrazen jako „obrácená pyramida“.[9] Pouhé rozšíření současného přístupu (omezeno na teploty nad pokojovou teplotou) je složitý úkol.[10] PyCalpahd, a Knihovna Pythonu, byl navržen k usnadnění jednoduchého výpočtu výpočetní termodynamiky pomocí otevřený zdrojový kód.[11] Ve složitých systémech se výpočetní metody, jako je CALPHAD, používají k modelování termodynamických vlastností pro každou fázi a simulaci chování vícesložkových fází.[12] Aplikace CALPHADU na vysoké tlaky v některých důležitých aplikacích, které se neomezují pouze na jednu stranu vědy o materiálech, jako je Systém Fe-C,[13] potvrzuje experimentální výsledky pomocí výpočetních termodynamických výpočtů fázových vztahů v systému Fe – C při vysokých tlacích. Jiní vědci dokonce uvažovali viskozita a další fyzikální parametry, které jsou mimo oblast termodynamiky.[14]

Budoucí vývoj

Mezi metodami ab initio stále existuje propast[15] a operativní výpočetní termodynamické databáze. V minulosti zjednodušený přístup zavedený ranou prací Larryho Kaufmana, založený na Miedemův model, byl použit ke kontrole správnosti i těch nejjednodušších binární systémy. Vztah obou komunit k Fyzika pevných látek a Věda o materiálech zůstává výzvou,[16] jak tomu bylo po mnoho let.[17] Slibné výsledky od ab initio kvantová mechanika balíčky molekulární simulace jako VASP - Vídeňský simulační balíček Ab-initio jsou snadno integrovány do termodynamických databází s přístupy jako Zentool.[18]Relativně snadný způsob sběru dat pro intermetalické sloučeniny je nyní možný pomocí otevřené databáze kvantových materiálů.

Viz také

Reference

  1. ^ Liu, Zi-Kui; Wang, Yi (2016-06-30). Výpočetní termodynamika materiálů. Cambridge University Press. ISBN  9780521198967.
  2. ^ Fabrichnaya, Olga; Saxena, Surendra K .; Richet, Pascal; Westrum, Edgar F. (2013-03-14). Termodynamické údaje, modely a fázové diagramy v systémech vícesložkových oxidů: Hodnocení pro vědce v oboru materiálů a planet na základě kalorimetrických, objemových a fázových rovnovážných údajů. Springer Science & Business Media. ISBN  9783662105047.
  3. ^ L Kaufman a H Bernstein, Počítačový výpočet fázových diagramů, Academic Press N Y (1970) ISBN  0-12-402050-X[stránka potřebná ]
  4. ^ N Saunders a P Miodownik, Calphad, Pergamon Materials Series, svazek 1, vyd. R W Cahn (1998) ISBN  0-08-042129-6[stránka potřebná ]
  5. ^ H L Lukas, S G Fries a B Sundman, Výpočetní termodynamika, Calphadova metoda, Cambridge University Press (2007) ISBN  0-521-86811-4[stránka potřebná ]
  6. ^ K., Saxena, Surendra (1993). Termodynamické údaje o oxidech a křemičitanech: hodnocený soubor dat založený na termochemii a vysokotlaké fázové rovnováze. Chatterjee, Nilanjan., Fei, Yingwei., Shen, Guoyin. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN  9783642783326. OCLC  840299125.
  7. ^ http://www.crct.polymtl.ca/sgte/unary50.tdb[úplná citace nutná ][trvalý mrtvý odkaz ]
  8. ^ Dinsdale, A.T. (1991). Msgstr "Data SGTE pro čisté prvky". Calphad. 15 (4): 317–425. doi:10.1016 / 0364-5916 (91) 90030-N.
  9. ^ „MICRESS® - simulační software MICRostructure Evolution“ (PDF).
  10. ^ http://thermocalc.micress.de/proceedings/proceedings2015/tc2015_tumminello_public.pdf[úplná citace nutná ]
  11. ^ Otis, Richard; Liu, Zi-Kui (2017). „Pycalphad: CALPHAD-based Computational Thermodynamics in Python“. Journal of Open Research Software. 5. doi:10,5334 / jors.140.
  12. ^ L., Lukas, H. (2007). Výpočetní termodynamika: metoda CALPHAD. Fries, Suzana G., Sundman, Bo. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN  978-0521868112. OCLC  663969016.
  13. ^ Fei, Yingwei; Brosh, Eli (2014). „Experimentální studie a termodynamické výpočty fázových vztahů v systému Fe – C za vysokého tlaku“. Dopisy o Zemi a planetách. 408: 155–62. Bibcode:2014E & PSL.408..155F. doi:10.1016 / j.epsl.2014.09.044.
  14. ^ Zhang, Fan; Du, Yong; Liu, Shuhong; Jie, Wanqi (2015). "Modelování viskozity v systému AL – Cu – Mg – Si: konstrukce databáze“. Calphad. 49: 79–86. doi:10.1016 / j.calphad.2015.04.001.
  15. ^ P. Turchi AB INITIO A TEPLOVODNÍ TERMODYNAMIKA MATERIÁLŮ https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/306920.pdf
  16. ^ J. A. Alonso a N. H. March Electrons in Metals and Alloys http://www.sciencedirect.com/science/book/9780120536207[stránka potřebná ]
  17. ^ https://www.elsevier.com/books/proceedings-of-the-international-symposium-on-thermodynamics-of-alloys/miedema/978-1-4832-2782-5[úplná citace nutná ][stránka potřebná ]
  18. ^ http://zengen.cnrs.fr/manual.pdf

externí odkazy

Univerzitní kurzy výpočetní termodynamiky