Вычислительная термодинамика
Вычислительная термодинамика — это использование компьютеров для моделирования термодинамических задач, характерных для материаловедения , особенно используемых при построении фазовых диаграмм. [1] [2]
Для выполнения этих операций существует несколько открытых и коммерческих программ. Идея метода – минимизация свободной энергии Гиббса системы; Успех этого метода обусловлен не только правильным измерением термодинамических свойств, например тех, что указаны в списке термодинамических свойств , но и экстраполяцией свойств метастабильных аллотропов химических элементов .
История [ править ]
Компьютерное моделирование фазовых диаграмм на основе металлов, которое восходит к началу прошлого века, главным образом, Йоханнесом ван Лааром и моделированием регулярных растворов , в последние годы превратилось в CALPHAD (расчет фазовых диаграмм). [3] Первооткрывателем этого метода стал американский металлург Ларри Кауфман с 1970-х годов. [4] [5] [6]
Текущее состояние [ править ]
Вычислительную термодинамику можно рассматривать как часть информатики материалов и она 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 бинарных 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 бинарных и кратных систем и используется как коммерческим, так и открытым программным обеспечением в этой области.
Однако, как было сказано в недавнем [ когда? ] Документы и встречи CALPHAD, такие как база данных Dinsdale/SGTE, вероятно, со временем потребуют исправлений, несмотря на полезность сохранения общей базы. В этом случае большинство опубликованных оценок, скорее всего, придется пересмотреть, аналогично восстановлению дома из-за сильно разрушенного фундамента. Эту концепцию также изображают как «перевернутую пирамиду». [10] Простое расширение нынешнего подхода (ограниченное температурами выше комнатной) является сложной задачей. [11] PyCalphad, 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 многокомпонентной фазы. [13] Применение CALPHAD при высоких давлениях в некоторых важных приложениях, которые не ограничиваются одной стороной материаловедения, таких как система Fe-C , [14] подтверждает экспериментальные результаты с помощью вычислительных термодинамических расчетов фазовых отношений в системе Fe–C при высоких давлениях. Другие ученые даже рассматривали вязкость и другие физические параметры, выходящие за рамки термодинамики. [15]
Будущие разработки [ править ]
Между методами ab initio все еще существует разрыв. [16] и оперативные базы данных вычислительной термодинамики. В прошлом упрощенный подход, представленный в ранних работах Ларри Кауфмана и основанный на модели Мидемы , использовался для проверки правильности даже самых простых бинарных систем. Однако связать эти два сообщества с физикой твердого тела и наукой о материалах остается проблемой. [17] как это было на протяжении многих лет. [18] Многообещающие результаты ab initio VASP пакетов молекулярного моделирования, таких как , легко интегрируются в термодинамические базы данных с помощью таких подходов, как Zentool. [19] Относительно простой способ сбора данных об интерметаллических соединениях теперь возможен с помощью открытой базы данных квантовых материалов. Ряд статей, посвященных концепции центропии, был предложен проф. З.К. Лю и его исследовательская группа недавно предложили [20]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Лю, Цзы-Куй; Ван, Йи (2016). Вычислительная термодинамика материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521198967 .
- ^ Лю, Цзы-Куй; Ван, Лю (2020). «Вычислительная термодинамика и ее приложения» . Акта Материалия . 200 : 745. Бибкод : 2020AcMat.200..745L . дои : 10.1016/j.actamat.2020.08.008 .
- ^ Фабричная, Ольга; Саксена, Сурендра К.; Рише, Паскаль; Веструм, Эдгар Ф. (14 марта 2013 г.). Термодинамические данные, модели и фазовые диаграммы в многокомпонентных оксидных системах: оценка для ученых-материаловедов и планетологов на основе данных калориметрии, объема и фазового равновесия . Springer Science & Business Media. ISBN 9783662105047 .
- ^ Л. Кауфман и Х. Бернштейн, Компьютерный расчет фазовых диаграмм, Academic Press, Нью-Йорк (1970) ISBN 0-12-402050-X [ нужна страница ]
- ^ Н. Сондерс и П. Миодауник, Кальфад, Серия материалов Пергама, Том 1 Изд. Р.В. Кан (1998) ISBN 0-08-042129-6 [ нужна страница ]
- ^ Х.Л. Лукас, С.Г. Фрис и Б. Сундман, Вычислительная термодинамика, метод Кальфада, Cambridge University Press (2007) ISBN 0-521-86811-4 [ нужна страница ]
- ^ 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, Шен, Гоинь. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783642783326 . ОСЛК 840299125 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ http://www.crct.polymtl.ca/sgte/unary50.tdb [ нужна полная цитата ] [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Динсдейл, AT (1991). «Данные SGTE для чистых элементов». Кальфад . 15 (4): 317–425. дои : 10.1016/0364-5916(91)90030-N .
- ^ «MICRESS® — программное обеспечение для моделирования эволюции микроструктуры» (PDF) .
- ^ «Вычислительная инженерия материалов» (PDF) .
- ^ Отис, Ричард; Лю, Цзы-Куй (2017). «Пикальфад: вычислительная термодинамика на Python на основе CALPHAD» . Журнал открытого исследовательского программного обеспечения . 5 : 1. дои : 10.5334/джорс.140 .
- ^ Л., Лукас Х. (2007). Вычислительная термодинамика: метод CALPHAD . Фрайс, Сюзанна Г., Сундман, Бо. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521868112 . OCLC 663969016 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Фэй, Инвэй; Брош, Эли (2014). «Экспериментальное исследование и термодинамические расчеты фазовых отношений в системе Fe–C при высоком давлении». Письма о Земле и планетологии . 408 : 155–62. Бибкод : 2014E&PSL.408..155F . дои : 10.1016/j.epsl.2014.09.044 .
- ^ Чжан, Фань; Ду, Ён; Лю, Шухун; Цзе, Ваньци (2015). «Моделирование вязкости в системе AL–Cu–Mg–Si: построение базы данных». Кальфад . 49 : 79–86. дои : 10.1016/j.calphad.2015.04.001 .
- ^ П. Турчи AB INITIO И КАЛЬФАДНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА МАТЕРИАЛОВ https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/306920.pdf
- ^ Дж. А. Алонсо и Н. Х. Мартовские электроны в металлах и сплавах http://www.sciencedirect.com/science/book/9780120536207 [ нужна страница ]
- ^ «Труды международного симпозиума по термодинамике сплавов - 1-е издание» . elsevier.com . 1 января 1981 года . Проверено 1 июля 2023 г. [ нужна полная цитата ] [ нужна страница ]
- ↑ Руководство zengen.cnrs.fr. Архивировано 18 апреля 2016 г. на Wayback Machine.
- ^ Лю, Цзы-Куй (2023). «Термодинамика и ее предсказание и моделирование CALPHAD: обзор, современное состояние и перспективы» . Кальфад . 82 : 102580. arXiv : 2301.02132 . дои : 10.1016/j.calphad.2023.102580 . S2CID 259138637 – через ScienceDirect.
Внешние ссылки [ править ]
- Гай, Анри; Лупис, ТЭЦ (1970). «Компьютерные расчеты многокомпонентных фазовых диаграмм». Скрипта Металлургика . 4 (9): 685–91. дои : 10.1016/0036-9748(70)90207-3 .
- Официальный сайт КАЛЬФАД
- Круто, Томас; Бартол, Александр; Касенга, Мэтью; Моди, Кунал; Гарсия, Р. Эдвин (2010). «Гиббс: фазовое равновесие и символическое вычисление термодинамических свойств». Кальфад 34 (4): 393–404. дои : 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, свободный доступ при регистрации
- Открыть Кальфад
- Термокальк для студентов
- Пандат (бесплатно до трех компонентов)
- Matcalc (бесплатно до трех компонентов, доступны открытые базы данных). Архивировано 24 мая 2018 г. на Wayback Machine.
- FactSage Образование 7.2
- Термодинамическое моделирование многокомпонентных фазовых равновесий
- НИСТ
- Термодинамическое моделирование с использованием метода Кальфада в ETH Zurich
- Программное обеспечение MELTS для термодинамического моделирования фазовых равновесий в магматических системах
- Научная группа SGTE Thermodata Europe
- Ларри Кауфман в Hmolpedia
- Мёдоник, Питер (2012). «Работа с Ларри Кауфманом: некоторые мысли о его 80-летии». Кальфад . 36 : iii–iv. дои : 10.1016/j.calphad.2011.08.008 .
- Кауфман, Ларри; Огрен, Джон (2014). «КАЛФАД, первое и второе поколение - Рождение генома материалов». Скрипта Материалия . 70 : 3–6. дои : 10.1016/j.scriptamat.2012.12.003 .
- Кирклин, Скотт; Саал, Джеймс Э.; Мередиг, Брайс; Томпсон, Алекс; Доук, Джефф В.; Айколь, Муратахан; Рюль, Стефан; Вулвертон, Крис (11 декабря 2015 г.). «Открытая база данных квантовых материалов (OQMD): оценка точности энергий образования DFT» . npj Расчетные материалы . 1 (1): 15010. Бибкод : 2015npjCM...115010K . дои : 10.1038/npjcompumats.2015.10 .
- [Открытая база данных квантовых материалов OQMD ]