الديناميكا الحرارية الحاسوبية

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

تصوير علمي لمحاكاة ضخمة للغاية لمشكلة عدم استقرار رايلي-تايلور.

الديناميكا الحرارية الحاسوبية هي استخدام الحواسيب لمحاكاة المسائل الديناميكية الحرارية الخاصة بعلم المواد ، وتُستخدم بشكل خاص في بناء مخططات الأطوار. [ 1 ] [ 2 ]

توجد العديد من البرامج المفتوحة والتجارية لإجراء هذه العمليات. تقوم فكرة هذه التقنية على تقليل طاقة جيبس ​​الحرة للنظام؛ ويعود نجاح هذه الطريقة ليس فقط إلى القياس الدقيق للخصائص الديناميكية الحرارية، مثل تلك الموجودة في قائمة الخصائص الديناميكية الحرارية ، ولكن أيضًا إلى استقراء خصائص الأشكال المتآصلة شبه المستقرة للعناصر الكيميائية .

تاريخ

تطورت النمذجة الحاسوبية لمخططات الأطوار المعدنية، التي يعود تاريخها إلى بداية القرن الماضي، وتحديدًا على يد يوهانس فان لار ، ونمذجة المحاليل المنتظمة ، في السنوات الأخيرة إلى برنامج CALPHAD (حساب مخططات الأطوار). [ 3 ] وقد كان لاري كوفمان ، عالم المعادن الأمريكي، رائدًا في هذا المجال منذ سبعينيات القرن الماضي. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

الوضع الحالي

يمكن اعتبار الديناميكا الحرارية الحاسوبية جزءًا من معلوماتية المواد ، وهي حجر الزاوية في المفاهيم التي يقوم عليها مشروع جينوم المواد . في حين تُستخدم قواعد بيانات علم البلورات بشكل أساسي كمصدر مرجعي، تُعدّ قواعد بيانات الديناميكا الحرارية من أوائل الأمثلة على المعلوماتية، إذ دُمجت هذه القواعد في الحسابات الكيميائية الحرارية لرسم خرائط استقرار الأطوار في السبائك الثنائية والثلاثية . [ 7 ] يُنسب الفضل في العديد من المفاهيم والبرامج المستخدمة في الديناميكا الحرارية الحاسوبية إلى مجموعة SGTE، وهي اتحاد مُكرّس لتطوير قواعد بيانات الديناميكا الحرارية؛ وقاعدة بيانات العناصر المفتوحة متاحة مجانًا [ 8 ] استنادًا إلى ورقة بحثية لدينسديل. [ 9 ] يُثبت هذا النظام "الأحادي" أنه أساس مشترك لتطوير الأنظمة الثنائية والمتعددة، ويُستخدم في كل من البرامج التجارية والمفتوحة المصدر في هذا المجال.

مع ذلك، وكما ورد في أوراق واجتماعات CALPHAD الأخيرة، فمن المرجح أن تحتاج قاعدة بيانات دينسديل/SGTE إلى تصحيح بمرور الوقت، على الرغم من فائدتها في الحفاظ على قاعدة بيانات مشتركة. في هذه الحالة، من المحتمل أن يتعين مراجعة معظم التقييمات المنشورة، على غرار إعادة بناء منزل بسبب أساس متضرر بشدة. وقد تم تصوير هذا المفهوم أيضًا على أنه "هرم مقلوب". [ 10 ] إن مجرد توسيع النهج الحالي (المقتصر على درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة) مهمة معقدة. [ 11 ] تم تصميم PyCalphad، وهي مكتبة بايثون ، لتسهيل حسابات الديناميكا الحرارية الحاسوبية البسيطة باستخدام شفرة مفتوحة المصدر . [ 12 ] في الأنظمة المعقدة، تُستخدم طرق حسابية مثل CALPHAD لنمذجة الخصائص الديناميكية الحرارية لكل طور ومحاكاة سلوك الأطوار متعددة المكونات. [ 13 ] إن تطبيق برنامج CALPHAD تحت ضغوط عالية في بعض التطبيقات المهمة، والتي لا تقتصر على جانب واحد من علم المواد مثل نظام الحديد والكربون ، [ 14 ] يؤكد النتائج التجريبية باستخدام حسابات الديناميكا الحرارية الحاسوبية لعلاقات الأطوار في نظام الحديد والكربون تحت ضغوط عالية. وقد درس علماء آخرون اللزوجة وغيرها من المعايير الفيزيائية التي تتجاوز نطاق الديناميكا الحرارية. [ 15 ]

التطورات المستقبلية

لا تزال هناك فجوة بين طرق الحسابات الكمومية الأولية [ 16 ] وقواعد بيانات الديناميكا الحرارية الحاسوبية العملية. في الماضي، استُخدم نهج مبسط، طُوّر في الأعمال المبكرة للاري كوفمان، استنادًا إلى نموذج ميدما ، للتحقق من صحة حتى أبسط الأنظمة الثنائية . مع ذلك، لا يزال ربط هذين المجالين بفيزياء الحالة الصلبة وعلوم المواد يُمثل تحديًا [ 17 ] ، كما كان الحال لسنوات عديدة [ 18 ] . تُدمج النتائج الواعدة من حزم محاكاة الجزيئات الكمومية الأولية ، مثل VASP، بسهولة في قواعد بيانات الديناميكا الحرارية باستخدام مناهج مثل Zentool [ 19 ] .

أصبح من الممكن الآن جمع البيانات المتعلقة بالمركبات بين الفلزية بسهولة نسبية باستخدام قاعدة بيانات المواد الكمومية المفتوحة. وقد اقترح البروفيسور زد كي ليو وفريقه البحثي مؤخرًا سلسلة من الأبحاث التي تركز على مفهوم الإنتروبيا المركزية. [ 20 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ليو، زي-كوي؛ وانغ، يي (2016). الديناميكا الحرارية الحاسوبية للمواد . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 9780521198967.
  2. ↑ ليو، زي-كوي؛ وانغ، ليو (2020). "الديناميكا الحرارية الحاسوبية وتطبيقاتها" . أكتا ماتيريليا . 200 : 745. Bibcode : 2020AcMat.200..745L . doi : 10.1016/j.actamat.2020.08.008 .
  3. ↑ فابريشنايا، أولغا ب.؛ ساكسينا، سوريندرا ك.؛ ريشيه، باسكال؛ ويستروم، إدغار ف. (2004). البيانات الديناميكية الحرارية، والنماذج، ومخططات الأطوار في أنظمة الأكاسيد متعددة المكونات . البيانات والمعرفة في عالم متغير. doi : 10.1007/978-3-662-10504-7 . ISBN 978-3-642-05730-4.
  4. ↑ ل. كوفمان وهـ. بيرنشتاين، الحساب الحاسوبي لمخططات الأطوار، دار النشر الأكاديمية، نيويورك (1970) ISBN 0-12-402050-X
  5. ^ ن سوندرز وبي ميودونيك، كالفاد، سلسلة مواد بيرغامون، المجلد الأول إد. آر دبليو كان (1998) ISBN 0-08-042129-6
  6. ↑ HL Lukas، SG Fries و B Sundman، الديناميكا الحرارية الحاسوبية، طريقة Calphad، مطبعة جامعة كامبريدج (2007) ISBN 0-521-86811-4
  7. ↑ ساكسينا، سوريندرا ك.؛ تشاتيرجي، نيلانجان؛ فاي، ينغوي؛ شين، غويين (1993). البيانات الديناميكية الحرارية للأكاسيد والسيليكات . doi : 10.1007/978-3-642-78332-6 . ISBN 978-3-642-78334-0.
  8. ↑ http://www.crct.polymtl.ca/sgte/unary50.tdb
  9. ↑ دينسديل، أ. ت. (1991). "بيانات SGTE للعناصر النقية". كالفاد . 15 (4): 317-425 . doi : 10.1016/0364-5916(91)90030-N .
  10. ↑ "MICRESS® - برنامج محاكاة تطور البنية المجهرية" (PDF) .
  11. ↑ "هندسة المواد الحاسوبية" (PDF) .
  12. ↑ أوتيس، ريتشارد؛ ليو، زي-كوي (2017). "Pycalphad: الديناميكا الحرارية الحسابية القائمة على CALPHAD في بايثون" . مجلة برمجيات البحث المفتوح . 5 : 1. doi : 10.5334/jors.140 .
  13. ↑ ل.، لوكاس، هـ. (2007). الديناميكا الحرارية الحاسوبية : طريقة CALPHAD . فرايز، سوزانا ج.، سوندمن، بو. كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN  978-0521868112. OCLC 663969016 . {{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  14. ↑ فاي، ينغوي؛ بروش، إيلي (2014). "دراسة تجريبية وحسابات ديناميكية حرارية لعلاقات الأطوار في نظام الحديد والكربون عند ضغط عالٍ". رسائل علوم الأرض والكواكب . 408 : 155-162 . Bibcode : 2014E & PSL.408..155F . doi : 10.1016/j.epsl.2014.09.044 .
  15. ^ تشانغ، فان؛ دو، يونغ؛ ليو، شوهونغ؛ جي وانكي (2015). “نمذجة اللزوجة في نظام AL – Cu – Mg – Si: بناء قاعدة البيانات”. كالفاد . 49 : 79 – 86. دوى : 10.1016/j.calphad.2015.04.001 .
  16. ↑ تورتشي، ب.أ. (14 أبريل 2004). الديناميكا الحرارية للمواد من المبادئ الأولى والحسابات التقريبية (تقرير). OSTI 15014097 . 
  17. ↑ ألونسو، جيه إيه؛ مارش، إن إتش (1989). الإلكترونات في المعادن والسبائك . doi : 10.1016/C2009-0-21700-4 . ISBN 978-0-12-053620-7.
  18. ↑ ميدما، أ. ر.؛ راثيناو، ج. و.، محرران. (2016). وقائع الندوة الدولية حول الديناميكا الحرارية للسبائك: دلفت، هولندا، 12-13 يونيو 1980. إلسيفير. ISBN 978-1-4832-7801-8.
  19. ↑ كريڤيلو، جيه.-سي.؛ سوك، ر.؛ بريدي، أ.؛ بورجوا، ن.؛ جوبير، جيه.-إم. (ديسمبر 2015). "ZenGen، أداة لتوليد التكوينات المرتبة لإجراء حسابات منهجية من المبادئ الأولى: نظام Cr–Mo–Ni–Re كدراسة حالة" . Calphad . 51 : 233–240 . doi : 10.1016/j.calphad.2015.09.005 .
  20. ↑ ليو، زي-كوي (سبتمبر 2023). "الديناميكا الحرارية وتوقعاتها ونمذجة CALPHAD: مراجعة، وأحدث التقنيات، والآفاق المستقبلية". Calphad . 82 102580. doi : 10.1016/j.calphad.2023.102580 . OSTI 1987742 . 

دورات جامعية في الديناميكا الحرارية الحاسوبية