Вычислительная термодинамика - Computational thermodynamics

Вычислительная термодинамика использование компьютеров для моделирования термодинамический проблемы, характерные для материаловедение, в частности, используется при построении фазовых диаграмм.[1] Для выполнения этих операций существует несколько открытых и коммерческих программ. Концепция техники - минимизация Свободная энергия Гиббса системы; Успех этого метода обусловлен не только правильным измерением термодинамических свойств, например, список термодинамических свойств, но и за счет экстраполяции свойств метастабильных аллотропы из химические элементы.

История

Вычислительное моделирование фазовых диаграмм на основе металлов, восходящее к началу прошлого века в основном Йоханнес ван Лаар и к моделированию регулярные решения, в последние годы эволюционировал в КАЛЬФАД (РАСЧЕТ ФАЗ-диаграмм).[2] Это было впервые сделано американскими металлург Ларри Кауфман с 1970-х годов.[3][4][5]

Текущее состояние

Вычислительную термодинамику можно рассматривать как часть материалы по информатике и является краеугольным камнем концепций, лежащих в основе материалы генома проект. В то время как кристаллографические базы данных используются в основном в качестве справочного источника, термодинамические базы данных представляют собой один из самых ранних примеров информатики, поскольку эти базы данных были интегрированы в термохимические расчеты для отображения фазовой стабильности в двоичном и тройном сплавы.[6] Многие концепции и программное обеспечение, используемые в вычислительной термодинамике, принадлежат SGTE Group, консорциум посвящен развитию термодинамических баз данных; база открытых элементов находится в свободном доступе[7] основано на статье Динсдейла.[8] Эта так называемая «унарная» система оказывается общей основой для разработки двоичных и множественных систем и используется как коммерческим, так и открытым программным обеспечением в этой области.

Однако, как указывалось в недавнем[когда? ] Документы и собрания CALPHAD, такую ​​базу данных Dinsdale / SGTE, вероятно, со временем придется корректировать, несмотря на полезность сохранения общей базы. В этом случае, вероятно, придется пересмотреть большинство опубликованных оценок, как и при восстановлении дома из-за сильно разрушенного фундамента. Эта концепция также была изображена как «перевернутая пирамида».[9] Простое расширение существующего подхода (ограниченного температурами выше комнатной) - сложная задача.[10] PyCalpahd, а Библиотека Python, был разработан для упрощения простых расчетов термодинамики с использованием открытый исходный код.[11] В сложных системах вычислительные методы, такие как CALPHAD, используются для моделирования термодинамических свойств каждой фазы и моделирования поведения многокомпонентных фаз.[12] Применение CALPHAD для высоких давлений в некоторых важных приложениях, которые не ограничиваются одной стороной материаловедения, например Система Fe-C,[13] подтверждает экспериментальные результаты с помощью компьютерных термодинамических расчетов фазовых соотношений в системе Fe – C при высоких давлениях. Другие ученые даже считали вязкость и другие физические параметры, выходящие за рамки термодинамики.[14]

Будущие разработки

По-прежнему существует разрыв между методами ab initio[15] и базы данных оперативной вычислительной термодинамики. В прошлом упрощенный подход, представленный ранними работами Ларри Кауфмана, основывался на Модель Мидемы, использовался для проверки правильности даже самых простых двоичный системы. Однако связь двух сообществ с Физика твердого тела и Материаловедение остается проблемой,[16] как это было много лет.[17] Многообещающие результаты ab initio квантовая механика пакеты молекулярного моделирования, такие как VASP - Венский пакет имитационного моделирования для начинающих легко интегрируются в термодинамические базы данных с помощью таких подходов, как Zentool.[18]Относительно простой способ сбора данных об интерметаллических соединениях теперь возможен с использованием Open Quantum Materials Database.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лю, Цзы-Куи; Ван И (30.06.2016). Вычислительная термодинамика материалов. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521198967.
  2. ^ Фабричная, Ольга; Saxena, Surendra K .; Рише, Паскаль; Веструм, Эдгар Ф. (2013-03-14). Термодинамические данные, модели и фазовые диаграммы в многокомпонентных оксидных системах: оценка для ученых-материаловедов и планетологов на основе калориметрических, объемных данных и данных фазового равновесия. Springer Science & Business Media. ISBN  9783662105047.
  3. ^ Л. Кауфман и Х. Бернштейн, Компьютерный расчет фазовых диаграмм, Academic Press N Y (1970) ISBN  0-12-402050-X[страница нужна ]
  4. ^ Н. Сондерс и П. Миодовник, Калфад, Серия Pergamon Materials, том 1, изд. Р. В. Кан (1998) ISBN  0-08-042129-6[страница нужна ]
  5. ^ Х. Л. Лукас, С. Г. Фрис и Б. Сундман, Вычислительная термодинамика, метод Калфада, Cambridge University Press (2007) ISBN  0-521-86811-4[страница нужна ]
  6. ^ К., Саксена, Сурендра (1993). Термодинамические данные для оксидов и силикатов: набор оцененных данных, основанный на термохимии и фазовом равновесии высокого давления. Чаттерджи, Ниланджан, Фэй, Инвэй, Шэнь, Гоинь. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN  9783642783326. OCLC  840299125.
  7. ^ http://www.crct.polymtl.ca/sgte/unary50.tdb[требуется полная цитата ][постоянная мертвая ссылка ]
  8. ^ Динсдейл, А. (1991). «Данные SGTE для чистых элементов». Calphad. 15 (4): 317–425. Дои:10.1016 / 0364-5916 (91) 90030-Н.
  9. ^ «MICRESS® - Программное обеспечение для моделирования эволюции микроструктуры» (PDF).
  10. ^ http://thermocalc.micress.de/proceedings/proceedings2015/tc2015_tumminello_public.pdf[требуется полная цитата ]
  11. ^ Отис, Ричард; Лю, Цзы-Куи (2017). «Пикальфад: вычислительная термодинамика на основе CALPHAD в Python». Журнал открытого программного обеспечения для исследований. 5. Дои:10.5334 / jors.140.
  12. ^ Л., Лукас, Х. (2007). Вычислительная термодинамика: метод CALPHAD. Фрайс, Сюзана Г., Сундман, Бо. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521868112. OCLC  663969016.
  13. ^ Фэй, Инвэй; Брош, Эли (2014). «Экспериментальное исследование и термодинамические расчеты фазовых соотношений в системе Fe – C при высоком давлении». Письма по науке о Земле и планетах. 408: 155–62. Bibcode:2014E и PSL.408..155F. Дои:10.1016 / j.epsl.2014.09.044.
  14. ^ Чжан, Фань; Ду, Йонг; Лю, Шухун; Цзе, Ванци (2015). «Моделирование вязкости в системе AL – Cu – Mg – Si: Построение базы данных». Calphad. 49: 79–86. Дои:10.1016 / j.calphad.2015.04.001.
  15. ^ П. Турчи А.Б. ИНИЦИО И ТЕРМОДИНАМИКА МАТЕРИАЛОВ КАЛЬФАДА. https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/306920.pdf
  16. ^ Дж. А. Алонсо, Н. Х. Марч Электроны в металлах и сплавах. http://www.sciencedirect.com/science/book/9780120536207[страница нужна ]
  17. ^ https://www.elsevier.com/books/proceedings-of-the-international-symposium-on-thermodynamics-of-alloys/miedema/978-1-4832-2782-5[требуется полная цитата ][страница нужна ]
  18. ^ http://zengen.cnrs.fr/manual.pdf

внешняя ссылка

Университетские курсы по вычислительной термодинамике