Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Вычислительная термодинамика - это использование компьютеров для моделирования термодинамических задач, специфичных для материаловедения , особенно используемых при построении фазовых диаграмм. [1]

[2]

Для выполнения этих операций существует несколько открытых и коммерческих программ. Суть метода - минимизация свободной энергии Гиббса системы; Успех этого метода обусловлена не только правильно измерения термодинамических свойств, таких как те , в списке термодинамических свойств , но и за счет экстраполяции свойств метастабильных аллотропов этих химических элементов .

История [ править ]

Вычислительное моделирование фазовых диаграмм на основе металлов, восходящее к началу прошлого века главным образом Йоханнесом ван Лааром и моделирование регулярных решений , в последние годы эволюционировало в CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams). [3] Это было впервые применено американским металлургом Ларри Кауфманом с 1970-х годов. [4] [5] [6]

Текущее состояние [ править ]

Вычислительная термодинамика может рассматриваться как часть информатики материалов и является краеугольным камнем концепций, лежащих в основе проекта генома материалов . 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 вычисления для отображения фазовой стабильности в двойных и тройных сплавах . [7] Многие концепции и программное обеспечение, используемые в вычислительной термодинамике, принадлежат SGTE Group, консорциуму, занимающемуся разработкой термодинамических баз данных; база данных открытых элементов находится в свободном доступе [8]на основе статьи Динсдейла. [9] 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, такая база данных Dinsdale / SGTE, вероятно, со временем потребует корректировок, 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». [10] Простое расширение существующего подхода (ограниченного температурами выше комнатной) - сложная задача. [11] PyCalpahd, библиотека Python , была разработана для облегчения простых вычислительных термодинамических расчетов с использованием открытого исходного кода . [12] В сложных системах вычислительные методы, такие как CALPHAD, используются для моделирования термодинамических свойств каждой фазы и моделирования поведения многокомпонентных фаз. [13] Применение CALPHAD к высоким давлениям в некоторых важных приложениях, которые не ограничиваются одной стороной материаловедения, такой как система Fe-C , [14] подтверждает экспериментальные результаты с использованием вычислительных термодинамических расчетов фазовых соотношений в Fe– Система C при высоком давлении. Другие ученые даже рассматривали вязкость и другие физические параметры, которые выходят за рамки термодинамики. [15]

Будущие разработки [ править ]

По-прежнему существует разрыв между ab initio методами [16] и базами данных оперативной вычислительной термодинамики. В прошлом упрощенный подход, представленный ранними работами Ларри Кауфмана, основанный на модели Мидемы , использовался для проверки правильности даже простейших двойных систем. Тем не менее, связь двух сообществ с физикой твердого тела и материаловедением остается проблемой [17], как это было в течение многих лет. [18] Обнадеживающие результаты неэмпирических пакетов молекулярного моделирования квантовой механики, таких как VASP - Vienna Ab-initio Simulation Packageлегко интегрируются в термодинамические базы данных с помощью таких подходов, как Zentool. [19] Относительно простой способ сбора данных для интерметаллических соединений теперь возможен с использованием Open Quantum Materials Database.

См. Также [ править ]

  • Фазовая диаграмма
  • Энергия Гиббса
  • Энтальпия смешения
  • Модель Мидемы
  • Материалы Геном
  • UNIQUAC
  • UNIFAC

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лю, Цзы-Куи; Ван И (30.06.2016). Вычислительная термодинамика материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521198967.
  2. ^ Лю, Цзы-Куи; Ван, Лю (2020). «Вычислительная вычислительная термодинамика и ее приложения». DOI : 10.1016 / j.actamat.2020.08.008 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  3. ^ 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.
  4. ^ Л. Кауфман и Х. Бернштейн, Компьютерный расчет фазовых диаграмм, Academic Press NY (1970) ISBN 0-12-402050-X [ необходима страница ] 
  5. ^ N Saunders и P Miodownik, Calphad, Pergamon Materials Series, Vol 1 Ed. RW Cahn (1998) ISBN 0-08-042129-6 [ необходима страница ] 
  6. ^ HL Lukas, SG Fries и B Sundman, Computational Thermodynamics, the Calphad Method, Cambridge University Press (2007) ISBN 0-521-86811-4 [ необходима страница ] 
  7. ^ К., Саксена, Сурендра (1993). Термодинамические данные по оксидам и силикатам: 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 .
  8. ^ http://www.crct.polymtl.ca/sgte/unary50.tdb [ требуется полная ссылка ] [ постоянная мертвая ссылка ]
  9. ^ Dinsdale, AT (1991). «Данные SGTE для чистых элементов». Calphad . 15 (4): 317–425. DOI : 10.1016 / 0364-5916 (91) 90030-N .
  10. ^ "MICRESS® - Программное обеспечение для моделирования эволюции микроструктуры" (PDF) .
  11. ^ http://thermocalc.micress.de/proceedings/proceedings2015/tc2015_tumminello_public.pdf [ требуется полная ссылка ]
  12. ↑ Отис, Ричард; Лю, Цзы-Куи (2017). «Пикальфад: вычислительная термодинамика на основе CALPHAD в Python» . Журнал открытого программного обеспечения . 5 . DOI : 10,5334 / jors.140 .
  13. ^ Л., Лукас, Х. (2007). Вычислительная термодинамика: метод CALPHAD . Фрис, Сюзана Г., Сундман, Бо. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521868112. OCLC  663969016 .
  14. ^ Фэй, Инвэй; Брош, Эли (2014). «Экспериментальное исследование и термодинамические расчеты фазовых соотношений в системе Fe – C при высоком давлении». Письма о Земле и планетах . 408 : 155–62. Bibcode : 2014E и PSL.408..155F . DOI : 10.1016 / j.epsl.2014.09.044 .
  15. ^ Чжан, Фань; Ду, Йонг; Лю, Шухун; Цзе, Ванци (2015). «Моделирование вязкости в системе AL – Cu – Mg – Si: Построение базы данных». Calphad . 49 : 79–86. DOI : 10.1016 / j.calphad.2015.04.001 .
  16. ^ P. Turchi AB ИНИЦИО И ТЕРМОДИНАМИКА МАТЕРИАЛОВ КАЛЬФАДА https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/306920.pdf
  17. ^ JA Alonso и NH March Электроны в металлах и сплавах http://www.sciencedirect.com/science/book/9780120536207 [ необходима страница ]
  18. ^ https://www.elsevier.com/books/proceedings-of-the-international-symposium-on-thermodynamics-of-alloys/miedema/978-1-4832-2782-5 [ требуется полная ссылка ] [ требуется страница ]
  19. ^ http://zengen.cnrs.fr/manual.pdf

Внешние ссылки [ править ]

  • Гей, Анри; Лупис, ЧП (1970). «Компьютерные расчеты многокомпонентных фазовых диаграмм». Scripta Metallurgica . 4 (9): 685–91. DOI : 10.1016 / 0036-9748 (70) 90207-3 .
  • Официальный сайт CALPHAD
  • Круто, Томас; Бартол, Александр; Касенга, Мэтью; Моди, Кунал; Гарсия, Р. Эдвин (2010). «Гиббс: фазовые равновесия и символическое вычисление термодинамических свойств». Calphad . 34 (4): 393–404. DOI : 10.1016 / j.calphad.2010.07.005 .
  • Библиотеки на основе Python для расчета фазовых диаграмм и термодинамических свойств
  • База данных вычислительных фазовых диаграмм (CPDDB), бинарные базы данных, бесплатный доступ с регистрацией
  • Открыть Calphad
  • Термокальк для студентов
  • Пандат (бесплатно до трех компонентов)
  • Matcalc (бесплатно до трех компонентов, доступны открытые базы данных)
  • FactSage Education 7.2
  • Термодинамическое моделирование многокомпонентных фазовых равновесий.
  • NIST
  • Термодинамическое моделирование с использованием метода Калфада в ETH Zurich
  • Программа MELTS для термодинамического моделирования фазовых равновесий в магматических системах
  • SGTE Scientific Group Thermodata Europe
  • Ларри Кауфман в Hmolpedia
  • Миодовник, Питер (2012). «Работа с Ларри Кауфманом: некоторые мысли по поводу его 80-летия». Calphad . 36 : iii – iv. DOI : 10.1016 / j.calphad.2011.08.008 .
  • Кауфман, Ларри; Агрен, Джон (2014). «КАЛЬФАД, первое и второе поколение - Рождение материального генома». Scripta Materialia . 70 : 3–6. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2012.12.003 .
  • Кирклин, Скотт; Saal, James E .; Мередиг, Брайс; Томпсон, Алекс; Доак, Джефф У .; Айкол, Муратахан; Рюль, Стефан; Волвертон, Крис (11 декабря 2015 г.). «Открытая база данных квантовых материалов (OQMD): оценка точности энергий образования DFT» . NPJ Вычислительные материалы . 1 (1): 15010. Bibcode : 2015npjCM ... 115010K . DOI : 10.1038 / npjcompumats.2015.10 .
  • [Открытая база данных квантовых материалов http://oqmd.org ]

Университетские курсы по вычислительной термодинамике [ править ]

  • Вычислительная термодинамика для проектирования материалов KTH, Швеция
  • MatSE580: Вычислительная термодинамика материалов, Университет штата Пенсильвания, США
  • Вычислительная термодинамика Университет Брно, Чешская Республика