《计算材料学》实验讲义
实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数
一、前言
分子动力学模拟的基本思想是将物质看成是原子和分子组成的粒子系统（many-body
systems），设置初始位能模型，通过分析粒子的受力状况，计算粒子的牛顿运动方程，得到粒子的空间运动轨迹，可以求得复杂体系的热力学参数以及结构和动力学性质。分子动力学模拟的理论是统计力学中的各态历经假说(Ergodic Hypothesis)，即保守力学系统从任意初态开始运动，只要时间足够长，它将经过相空间能量曲面上的一切微观运动状态，系统力学量的系综平均等效力学量的时间平均，因此可以通过计算系综的经典运动方程来得到力学量的性质。比如，由N个粒子组成的系综的势能计算函数为：
intUUUVDW (1-1)
VDWU表示粒子内和粒子之间的Van der Waals相互作用；intU表示粒子的内部势能（键角弯曲能，键伸缩能、键扭转能等）；根据经典力学方程，系统中第i个粒子的受力大小为：
UkzjyixUFiiiii (1-2)
那么第i个粒子的加速度可以通过牛顿第二定律得到：
iiimtFta (1-3)
由于体系有初始位能，每个粒子有初始位置和速度，那么加速度对时间进行积分，速度对时间积分就可以获得各个任意时刻粒子的速度和位置：
iiiavdtdrdtd22 (1-4)
tavviii0
(1-5)
20021tatvrriiii (1-6)
ir和v分别是系统中粒子t时刻的位置和速度，0ir和0iv分别是系统中粒子初始时刻的位置和速度。依据各态历经假说，可获得任意物理量Q的系综平均，因此得到体系的相关性质： dttrQttQQtt01lim (1-7)
收稿日期:2007-02-12作者简介:何 岩(1981-),男,河北黄骅人,硕士研究生。联系人:张敏华,电话:(022)27406119,E2mail:mhzhang@
。计算与模拟 文章编号:1004-9533(2009)01-0057-05
纯CO2体系扩散性质的分子动力学模拟
何 岩,张敏华,姜浩锡
(天津大学石油化工技术开发中心,绿色合成与转化教育部重点实验室,天津300072)
摘要:使用基于COMPASS力场的分子动力学(MD)模拟方法计算了CO2在气相、液相以及超临界区
的自扩散系数。计算结果表明温度对扩散系数的影响在密度较低时比较明显,随着密度的升高温
度的影响逐渐减弱;密度较高时密度的影响对扩散系数起主导作用。通过研究温度和密度对扩散
系数的影响规律,提出了预测CO2自扩散系数的新方程,该方程与模拟值和文献试验值吻合良好。
关键词:COMPASS;分子动力学;超临界CO2;扩散系数
中图分类号:O645116 文献标识码:A
MolecularDynamicsSimulationonDiffusivityofPureCO2System
HEYan,ZHANGMin2hua,JIANGHao2xi(KeyLaboratoryforGreenChemicalTechnologyofStateEducationMinistryR&DCenterforPetrochemicalTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)
Abstract:Moleculardynamics(MD)simulationbasedonCOMPASSforcefieldwasappliedtoinvestigatethe
diffusivityofpureCO2systemthroughdifferentphases.Theinfluencesoftemperatureanddensityondiffusivity
《冶金热力学与动力学实验》指导书
实验一 、 碳的气化反应
一．实验目的
1．测定恒压下不同温度时反应的平衡常数。
2．了解在恒温恒压下反应达平衡时测定平衡常数的方法。
3．了解影响反应平衡的因素。
二．实验原理
在高炉炼铁、鼓风炉炼铜、铅、锌以及煤气发生炉等生产实践中，固体碳的气化反应具有十分重要的意义。其反应为：
C＋CO2＝2CO
该反应的自由度为F＝2－2＋2＝2,即反应平衡时，气相成分取决于温度和系统的压力。
在一大气压时，该反应的平衡常数为：
%)(%)(2222COCOPPKCOCOP （1—1）
由等压式知
BRTHKP303.2lg （1—2）
式中ΔH为反应热，R为气体常数，T为绝对温度，B为常数。
三．实验装置
如图2-3所示，由二氧化碳气瓶、气体净化系统、管式高温炉及控温仪表、气体分析仪器组成。
图1-3碳的汽化反应实验装置 1.CO2气瓶 2 流量计 3.管式电阻炉 4.铂铑热电偶 5.温度控制器 6. CO2传感器；7.计算机 8实验台
四．实验步骤
1．按图装好仪器设备，将碳粒装入电炉内瓷管的高温带，塞上胶塞，用融化的石蜡密封好。
2．分段检查系统是否漏气 ，重新密封，直至不漏气为止。
3.通电升温 接通电源，打开控温器电流为5A，逐步升到10～12 A。在升温的同时；打开气瓶，以较大的气流（40ml／分）排出系统内的空气，排气5分钟后调流量为20ml／分，并保持此流量不变。
4.炉温在600℃恒温5分钟后，接通CO2气体传感器，计算机读数，记录CO2％含量。
5. 再按上述操作连续4点 ，700℃，800℃，900℃，1000℃。分析反应平衡气体中CO2含量 同上操作，再取该温度下反应平衡气体，记录CO2％含量。
冶金原理名词解释(总8页)
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第一章 冶金溶液热力学基础—重点内容
本章重要内容可概括为三大点：有溶液参与反应的θGΔ、GΔ、溶液中组分B活度
一、名词解释
生铁 钢 工业纯铁 熟铁 提取冶金 理想溶液 稀溶液 正规溶液 偏摩尔量XB 化学势μB 活度 活度系数 无限稀活度系数rB0
一级活度相互作用系数eij 一级活度相互作用系数εij 标准溶解吉布斯自由能BSG 溶液的超额函数
生铁:
钢:
工业纯铁:
熟铁:
提取冶金:
理想溶液:
稀溶液:
正规溶液是指混合焓不等于0，混合熵等于理想溶液混合熵的溶液称为正规溶液。
偏摩尔量XB是指指在恒温、恒压、其它组分摩尔量保持不变条件下，溶液的广度性质X（G、S、H、U、V）对组分B摩尔量的偏导值。)(,,)/(BknpTBBknXX。
化学势μB是指在恒温、恒压、其它组分摩尔量保持不变条件下，溶液的吉布斯能对组分B摩尔量的偏导值。)(,,)/(BknpTBBBknGG。(P27)
活度是指实际溶液按拉乌尔定律或亨利定律修正的浓度。
活度系数是指实际溶液按拉乌尔定律或亨利定律修正的浓度时引入的系数。
无限稀活度系数rB0是指稀溶液中溶质组分以纯物质为标准态下的活度系数。
无限稀活度系数rB0大小意义
*0BHBPK 是组元B在服从亨利定律浓度段内以纯物质i为标准态的活度系数
是纯物质为标准态的活度与以假想纯物质为标准态的活度相互转换的转换系数是计算元素标准溶解吉布斯能的计算参数
)100ln(0)(BABBmSMMRTG
一级活度相互作用系数eij是指以假想1%溶液为标准态，稀溶液中溶质组分i的活度系数的lgfi对溶质组分j的ωj(%)偏导值，即：0)/lg((%)Ajijife。
