Termodynamika obliczeniowa

Termodynamika obliczeniowa to wykorzystanie komputerów do symulacji problemów termodynamicznych specyficznych dla materiałoznawstwa , szczególnie wykorzystywanych do budowy diagramów fazowych.

Istnieje kilka otwartych i komercyjnych programów do wykonywania tych operacji. Ideą tej techniki jest minimalizacja energii swobodnej Gibbsa układu; sukces tej metody wynika nie tylko z właściwego pomiaru właściwości termodynamicznych, takich jak te na liście właściwości termodynamicznych , ale także z ekstrapolacji właściwości metastabilnych alotropów pierwiastków chemicznych .

Historia

Modelowanie obliczeniowe diagramów fazowych opartych na metalach, które sięga początku poprzedniego wieku, głównie przez Johannesa van Laara i modelowanie rozwiązań regularnych , ewoluowało w ostatnich latach do CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams). Pionierem tego był amerykański metalurg Larry Kaufman od lat 70. XX wieku.

Stan aktulany

Termodynamikę obliczeniową można uznać za część informatyki materiałowej i jest ona kamieniem węgielnym koncepcji leżących u podstaw projektu genomu materiałów . Podczas gdy krystalograficzne bazy danych są wykorzystywane głównie jako źródło odniesienia, termodynamiczne bazy danych stanowią jeden z najwcześniejszych przykładów informatyki, ponieważ te bazy danych zostały zintegrowane z obliczeniami termochemicznymi w celu odwzorowania stabilności faz w stopach dwu- i trójskładnikowych . Wiele koncepcji i oprogramowania używanych w termodynamice obliczeniowej przypisuje się Grupie SGTE, konsorcjum zajmującemu się rozwojem termodynamicznych baz danych; baza danych elementów otwartych jest dostępna bezpłatnie na podstawie artykułu Dinsdale'a. Ten tak zwany „jednoargumentowy” system okazuje się być powszechną podstawą do rozwoju systemów binarnych i wielokrotnych i jest używany zarówno w oprogramowaniu komercyjnym, jak i otwartym w tej dziedzinie.

Jednak, jak stwierdzono w niedawnym ^{[ kiedy? ]} Dokumenty i spotkania CALPHAD, takie jak baza danych Dinsdale/SGTE, prawdopodobnie będą wymagały korekty z czasem, pomimo użyteczności utrzymywania wspólnej bazy. W takim przypadku większość opublikowanych ocen prawdopodobnie będzie musiała zostać zrewidowana, podobnie jak w przypadku odbudowy domu z powodu poważnie uszkodzonych fundamentów. Ta koncepcja została również przedstawiona jako „odwrócona piramida”. Samo rozszerzenie obecnego podejścia (ograniczone do temperatur powyżej temperatury pokojowej) jest złożonym zadaniem. PyCalphad, biblioteka Pythona , została zaprojektowana w celu ułatwienia prostych obliczeniowych obliczeń termodynamicznych przy użyciu otwartego kodu źródłowego . W złożonych systemach metody obliczeniowe, takie jak CALPHAD, są wykorzystywane do modelowania właściwości termodynamicznych dla każdej fazy i symulowania zachowania faz wieloskładnikowych. Zastosowanie CALPHAD do wysokich ciśnień w niektórych ważnych zastosowaniach, które nie są ograniczone do jednej strony materiałoznawstwa, takiej jak układ Fe-C , potwierdza wyniki eksperymentalne za pomocą obliczeniowych obliczeń termodynamicznych stosunków fazowych w układzie Fe-C przy wysokich ciśnieniach. Inni naukowcy rozważali nawet lepkość i inne parametry fizyczne, które wykraczają poza domenę termodynamiki.

Przyszły rozwój

Nadal istnieje luka między metodami ab initio a operacyjnymi bazami danych termodynamiki obliczeniowej. W przeszłości binarnych stosowano uproszczone podejście wprowadzone przez wczesne prace Larry'ego Kaufmana, oparte na Modelu Miedemy . Jednak powiązanie tych dwóch społeczności z fizyką ciała stałego i materiałoznawstwem pozostaje wyzwaniem, tak jak było przez wiele lat. Obiecujące wyniki z pakietów symulacji molekularnych mechaniki kwantowej ab initio, takich jak VASP , można łatwo zintegrować z termodynamicznymi bazami danych za pomocą podejść takich jak Zentool. Stosunkowo łatwy sposób gromadzenia danych dotyczących związków międzymetalicznych jest teraz możliwy dzięki wykorzystaniu bazy danych Open Quantum Materials Database.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Gaye, Henri; Lupis, CHP (1970). „Obliczenia komputerowe wieloskładnikowych diagramów fazowych”. Scripta Metallurgica . 4 (9): 685–91. doi : 10.1016/0036-9748(70)90207-3 .
Oficjalna strona CALPHAD
Spoko, Thomas; Bartol, Aleksander; Kasenga, Mateusz; Modi, Kunal; Garcia, R. Edwin (2010). „Gibbs: Równowagi fazowe i symboliczne obliczenia właściwości termodynamicznych”. kalfad . 34 (4): 393–404. doi : 10.1016/j.calphad.2010.07.005 .
Biblioteki oparte na języku Python do obliczania diagramów fazowych i właściwości termodynamicznych
Computational Phase Diagram Database (CPDDB), binarne bazy danych, bezpłatny dostęp po rejestracji
Otwórz Kalfad
Thermocalc dla studentów
Pandat (bezpłatnie do trzech komponentów)
Matcalc (bezpłatnie do trzech komponentów, dostępne otwarte bazy danych)
Edukacja FactSage 7.2
Modelowanie termodynamiczne wieloskładnikowych równowag fazowych
NIST
Modelowanie termodynamiczne przy użyciu metody Calphad w ETH Zurich
MELTS Oprogramowanie do termodynamicznego modelowania równowag fazowych w układach magmowych
Grupa naukowa SGTE Thermodata Europe
Larry'ego Kaufmana z Hmolpedii
Miodownik, Piotr (2012). „Praca z Larrym Kaufmanem: kilka przemyśleń na temat jego 80. urodzin”. kalfad . 36 : III-IV. doi : 10.1016/j.calphad.2011.08.008 .
Kaufman, Larry; Agren, John (2014). „CALPHAD, pierwsza i druga generacja - Narodziny genomu materiałów”. Scripta Materialia . 70 : 3–6. doi : 10.1016/j.scriptamat.2012.12.003 .
Kirklin, Scott; Saal, James E.; Meredig, Bryce; Thompson, Alex; Doak, Jeff W.; Aykol, Muratahan; Rühl, Stephan; Wolverton, Chris (11 grudnia 2015). „Otwarta baza danych materiałów kwantowych (OQMD): ocena dokładności energii tworzenia DFT” . Materiały obliczeniowe NPJ . 1 (1): 15010. Bibcode : 2015npjCM...115010K . doi : 10.1038/npjcompumats.2015.10 .
[Otwórz bazę danych materiałów kwantowych http://oqmd.org ]

Kursy uniwersyteckie dotyczące termodynamiki obliczeniowej