La termodinámica computacional es el uso de computadoras para simular problemas termodinámicos específicos de la ciencia de los materiales , particularmente usados en la construcción de diagramas de fase. [1]
Existen varios programas abiertos y comerciales para realizar estas operaciones. El concepto de la técnica es la minimización de la energía libre de Gibbs del sistema; El éxito de este método se debe no solo a la medición adecuada de las propiedades termodinámicas, como las de la lista de propiedades termodinámicas , sino también a la extrapolación de las propiedades de los alótropos metaestables de los elementos químicos .
Historia
El modelado computacional de diagramas de fase basados en metales, que se remonta a principios del siglo anterior principalmente por Johannes van Laar y al modelado de soluciones regulares , ha evolucionado en años más recientes al CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams). [3] Esto ha sido iniciado por el metalúrgico estadounidense Larry Kaufman desde la década de 1970. [4] [5] [6]
Estado actual
La termodinámica computacional puede considerarse parte de la informática de materiales y es una piedra angular de los conceptos detrás del proyecto del genoma de materiales . Si bien las bases de datos cristalográficas se utilizan principalmente como fuente de referencia, las bases de datos termodinámicas representan uno de los primeros ejemplos de informática, ya que estas bases de datos se integraron en cálculos termoquímicos para mapear la estabilidad de fase en aleaciones binarias y ternarias . [7] Muchos conceptos y software utilizados en termodinámica computacional se atribuyen al Grupo SGTE, un consorcio dedicado al desarrollo de bases de datos termodinámicas; la base de datos de elementos abiertos está disponible gratuitamente [8] basada en el artículo de Dinsdale. [9] Este sistema llamado "unario" demuestra ser una base común para el desarrollo de sistemas binarios y múltiples y es utilizado tanto por software comercial como abierto en este campo.
Sin embargo, como se indicó en los últimos [ ¿cuándo? ] Documentos y reuniones de CALPHAD, una base de datos de Dinsdale / SGTE probablemente tendrá que corregirse con el tiempo a pesar de la utilidad de mantener una base común. En este caso, la mayoría de las evaluaciones publicadas probablemente tendrán que revisarse, de manera similar a la reconstrucción de una casa debido a una base muy rota. Este concepto también se ha descrito como una "pirámide invertida". [10] La mera extensión del enfoque actual (limitado a temperaturas superiores a la temperatura ambiente) es una tarea compleja. [11] PyCalpahd, una biblioteca de Python , fue diseñada para facilitar el cálculo termodinámico computacional simple usando código fuente abierto . [12] En sistemas complejos, se emplean métodos computacionales como CALPHAD para modelar las propiedades termodinámicas de cada fase y simular el comportamiento de fases multicomponente. [13] La aplicación de CALPHAD a altas presiones en algunas aplicaciones importantes, que no están restringidas a un lado de la ciencia de los materiales como el sistema Fe-C , [14] confirma los resultados experimentales mediante el uso de cálculos termodinámicos computacionales de relaciones de fase en el Fe– Sistema C a altas presiones. Otros científicos incluso consideraron la viscosidad y otros parámetros físicos, que están más allá del dominio de la termodinámica. [15]
Futuros desarrollos
Todavía existe una brecha entre los métodos ab initio [16] y las bases de datos operativas de termodinámica computacional. En el pasado, se empleó un enfoque simplificado introducido por los primeros trabajos de Larry Kaufman, basado en el Modelo de Miedema , para verificar la exactitud incluso de los sistemas binarios más simples . Sin embargo, relacionar las dos comunidades con la física del estado sólido y la ciencia de los materiales sigue siendo un desafío, [17] como lo ha sido durante muchos años. [18] Los resultados prometedores de los paquetes de simulación molecular ab initio de mecánica cuántica como VASP - Vienna Ab-initio Simulation Package se integran fácilmente en bases de datos termodinámicas con enfoques como Zentool. [19] Una forma relativamente fácil de recopilar datos para compuestos intermetálicos ahora es posible mediante el uso de Open Quantum Materials Database.
Ver también
Referencias
- ^ Liu, Zi-Kui; Wang, Yi (30 de junio de 2016). Termodinámica Computacional de Materiales . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9780521198967.
- ^ Liu, Zi-Kui; Wang, Liu (2020). "Termodinámica ComputacionalComputacional y sus aplicaciones". doi : 10.1016 / j.actamat.2020.08.008 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Fabrichnaya, Olga; Saxena, Surendra K .; Richet, Pascal; Westrum, Edgar F. (14 de marzo de 2013). Datos termodinámicos, modelos y diagramas de fase en sistemas de óxidos multicomponente: una evaluación para científicos planetarios y de materiales basada en datos calorimétricos, volumétricos y de equilibrio de fases . Springer Science & Business Media. ISBN 9783662105047.
- ^ L Kaufman y H Bernstein, Cálculo informático de diagramas de fase, Academic Press NY (1970) ISBN 0-12-402050-X [ página necesaria ]
- ^ N Saunders y P Miodownik, Calphad, Pergamon Materials Series, Vol 1 Ed. RW Cahn (1998) ISBN 0-08-042129-6 [ página necesaria ]
- ^ HL Lukas, SG Fries y B Sundman, Termodinámica computacional, el método Calphad, Cambridge University Press (2007) ISBN 0-521-86811-4 [ página necesaria ]
- ^ K., Saxena, Surendra (1993). Datos termodinámicos sobre óxidos y silicatos: un conjunto de datos evaluados basado en termoquímica y equilibrio de fase de alta presión . Chatterjee, Nilanjan., Fei, Yingwei., Shen, Guoyin. Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783642783326. OCLC 840299125 .
- ^ http://www.crct.polymtl.ca/sgte/unary50.tdb [ se necesita cita completa ] [ enlace muerto permanente ]
- ^ Dinsdale, AT (1991). "Datos SGTE para elementos puros". Calphad . 15 (4): 317–425. doi : 10.1016 / 0364-5916 (91) 90030-N .
- ^ "MICRESS® - el software de simulación de evolución MICRostructure" (PDF) .
- ^ http://thermocalc.micress.de/proceedings/proceedings2015/tc2015_tumminello_public.pdf [ se necesita una cita completa ]
- ^ Otis, Richard; Liu, Zi-Kui (2017). "Pycalphad: termodinámica computacional basada en CALPHAD en Python" . Revista de software de investigación abierta . 5 . doi : 10.5334 / jors.140 .
- ^ L., Lukas, H. (2007). Termodinámica computacional: el método CALPHAD . Patatas fritas, Suzana G., Sundman, Bo. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0521868112. OCLC 663969016 .
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- ^ Zhang, Fan; Du, Yong; Liu, Shuhong; Jie, Wanqi (2015). "Modelización de la viscosidad en el sistema AL-Cu-Mg-Si: construcción de la base de datos". Calphad . 49 : 79–86. doi : 10.1016 / j.calphad.2015.04.001 .
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- ^ http://zengen.cnrs.fr/manual.pdf
enlaces externos
- Gaye, Henri; Lupis, CHP (1970). "Cálculos informáticos de diagramas de fase multicomponente". Scripta Metallurgica . 4 (9): 685–91. doi : 10.1016 / 0036-9748 (70) 90207-3 .
- Sitio web oficial de CALPHAD
- Genial, Thomas; Bartol, Alexander; Kasenga, Matthew; Modi, Kunal; García, R. Edwin (2010). "Gibbs: equilibrio de fase y cálculo simbólico de propiedades termodinámicas". Calphad . 34 (4): 393–404. doi : 10.1016 / j.calphad.2010.07.005 .
- Bibliotecas basadas en Python para el cálculo de diagramas de fase y propiedades termodinámicas.
- Base de datos computacional de diagrama de fases (CPDDB), bases de datos binarias, acceso gratuito con registro
- Calphad abierto
- Thermocalc para estudiantes
- Pandat (libera hasta tres componentes)
- Matcalc (gratis hasta tres componentes, bases de datos abiertas disponibles)
- Educación de FactSage 7.2
- Modelado termodinámico de equilibrios de fase multicomponente
- NIST
- Modelado termodinámico utilizando el método Calphad en ETH Zurich
- Software MELTS para modelado termodinámico de equilibrios de fase en sistemas magmáticos
- SGTE Scientific Group Thermodata Europa
- Larry Kaufman en Hmolpedia
- Miodownik, Peter (2012). "Trabajar con Larry Kaufman: algunas reflexiones sobre su 80 cumpleaños". Calphad . 36 : iii – iv. doi : 10.1016 / j.calphad.2011.08.008 .
- Kaufman, Larry; Ågren, John (2014). "CALPHAD, primera y segunda generación - Nacimiento del genoma de los materiales". 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 de diciembre de 2015). "La base de datos abierta de materiales cuánticos (OQMD): evaluación de la precisión de las energías de formación DFT" . Materiales computacionales NPJ . 1 (1): 15010. Código Bibliográfico : 2015npjCM ... 115010K . doi : 10.1038 / npjcompumats.2015.10 .
- [Base de datos abierta de materiales cuánticos http://oqmd.org ]
Cursos universitarios de termodinámica computacional
- Termodinámica computacional para el diseño de materiales KTH, Suecia
- MatSE580: Termodinámica computacional de materiales, Universidad Estatal de Pensilvania, EE. UU.
- Termodinámica Computacional Universidad de Brno, República Checa