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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Lukas, Hans/ Fries, Suzana/ Sundman, Bo

出品人:

页数:324

译者:

出版时间:2007-8

价格:$ 131.08

装帧:HRD

isbn号码:9780521868112

丛书系列:

图书标签:

物理
材料
计算热力学
热力学
计算方法
材料科学
物理化学
相平衡
热力学性质
材料模拟
能量计算
统计热力学

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具体描述

Phase diagrams are used in materials research and engineering to understand the interrelationship between composition, microstructure and process conditions. In complex systems, computational methods such as CALPHAD are employed to model thermodynamic properties for each phase and simulate multicomponent phase behavior. Written by recognized experts in the field, this is an introductory guide to the CALPHAD method, providing a theoretical and practical approach. Building on core thermodynamic principles, this 2007 book applies crystallography, first principles methods and experimental data to computational phase behavior modeling using the CALPHAD method. With a chapter dedicated to creating thermodynamic databases, the reader will be confident in assessing, optimizing and validating complex thermodynamic systems alongside database construction and manipulation. Several case studies put the methods into a practical context, making this suitable for use on advanced materials design and engineering courses and an invaluable reference to those using thermodynamic data in their research or simulations.

好的，这是一份为名为《计算热力学》的图书撰写的图书简介，内容详尽，旨在涵盖该领域的核心概念、方法论和应用，但完全不提及您提供的书名。 --- 图书简介：现代材料设计与过程优化中的热力学计算方法导言：理解物质行为的基石在材料科学、化学工程、冶金学乃至能源科学等诸多领域，对物质在不同温度、压力和组分条件下的行为进行精确预测和理解是实现技术进步的关键。这种理解的深度和广度，在很大程度上依赖于对热力学基本原理的深刻掌握以及将其转化为可操作的计算模型的能力。本书旨在系统阐述从微观原子尺度到宏观系统层面的热力学计算方法。它不仅仅是对经典热力学定律的复述，更侧重于如何将这些定律应用于复杂的、多相、非理想体系的量化分析中。我们聚焦于如何通过计算手段，克服传统实验分析的局限性，从而指导新材料的开发与现有工艺流程的优化。第一部分：基础理论与统计力学基础本书的开篇部分奠定了坚实的理论基础，为后续的复杂计算方法铺平道路。 1. 热力学基本原理的计算视角：我们首先回顾了封闭、开放系统的能量、熵和吉布斯自由能的概念。重点在于如何将这些宏观量转化为可用于数值计算的形式。探讨了如何建立精确的相平衡方程，以及在有限精度计算中如何处理数据的不确定性。 2. 统计热力学的桥梁作用：统计力学为连接微观结构与宏观热力学性质提供了必要的桥梁。本章详细介绍了配分函数（Partition Function）的概念及其在计算理想气体、晶格振动（如德拜模型）和分子间相互作用中的应用。强调了玻尔兹曼分布和系综理论在计算热力学函数中的核心地位。对于非理想体系，讨论了如何通过平均场理论（Mean-Field Theory）来近似计算相互作用能对自由能的影响。 3. 物质状态方程（EoS）的深度剖析：状态方程是描述流体和固体性质的基石。本书深入探讨了范德华（van der Waals）方程的局限性，并详细解析了更先进的EoS，例如Peng-Robinson (PR) 和 Soave-Redlich-Kwong (SRK) 方程的原理和参数化方法。特别关注如何利用这些EoS来准确预测临界点、饱和液体与蒸汽的性质，以及在高温高压环境下的行为。对于高分子和复杂流体，介绍了自由体积理论和结合体积（PC-SAFT）方法的计算流程。第二部分：多相平衡与组分相互作用模型实际工程问题往往涉及多种组分、多相的复杂平衡。本部分专注于解决这些相互作用和平衡难题。 4. 溶液热力学与活度系数模型：在非理想溶液中，组分间的相互作用（如氢键、范德华力）使得简单的拉乌尔定律失效。我们系统地介绍了活度系数（Activity Coefficient）的概念，并详细阐述了主流的经验和半经验模型，包括：基于模型的： Wilson、NRTL（Non-Random Two-Liquid）、UNIQUAC。每种模型都提供了详细的参数获取方法、适用范围及其在化学反应器和分离过程设计中的应用案例。基于结构的：强调了Group Contribution Methods（基于组贡献法），展示了如何利用分子结构信息来预测未知化合物的活度系数，极大地拓宽了计算的适用范围。 5. 相平衡计算的数值方法：精确计算多相平衡（如气液平衡VLE、液液平衡LLE）需要高效的迭代求解算法。本章详细介绍了吉布斯自由能最小化原理在相平衡计算中的应用。重点阐述了如何在包含化学反应的复杂体系中，结合反应平衡常数和相平衡条件，使用Newton-Raphson等数值方法求解平衡态。此外，探讨了闪蒸（Flash）计算的稳定化技术，以应对相图中可能出现的奇异点。 6. 固液平衡与晶体热力学：对于合金、陶瓷和药物晶型研究，固相行为至关重要。本书涵盖了熔点预测、固溶体形成趋势的分析。详细介绍了基于 CALPHAD（Calculation of Phase Diagrams）方法的原理，即利用子格子模型（Sublattice Model）描述复杂化合物的非化学计量行为，并展示了如何通过拟合热力学数据库来构建精确的相图。第三部分：高级计算与面向应用的工具现代热力学计算离不开对高级计算工具的掌握。本部分聚焦于与计算化学、分子模拟的结合。 7. 量子化学计算在热力学中的应用：随着计算能力的提升，密度泛函理论（DFT）已成为精确预测分子性质的有力工具。我们解释了如何利用DFT计算分子结构优化、振动频率（用于零点能和熵的校正）以及反应能垒。讨论了如何将这些高精度（但计算成本高昂）的微观数据，通过嵌入式方法（Embedding Methods）引入到宏观热力学模型中，实现对反应热和活化能的精确预测。 8. 分子模拟与热力学采样技术：分子动力学（MD）和蒙特卡洛（MC）模拟为我们提供了直接观察原子级别运动的窗口。本章详细介绍了这些模拟技术如何用于推导热力学性质，特别是对于那些标准EoS难以描述的体系（如离子液体、超临界流体）。重点讲解了自由能微扰（FEP）和热力学积分（TI）等高级采样方法，用以计算化学势和溶解度。 9. 过程模拟与优化集成：最终，本书将热力学计算与流程模拟软件（如Aspen Plus, gPROMS等）的集成应用进行了探讨。强调了构建可靠的“热力学数据包”（Thermodynamic Property Package）在流程模拟中的关键性。通过实例展示了如何利用热力学计算结果来设计高效的精馏塔、反应器，并进行敏感性分析，以确定工艺操作的最优窗口。结论：面向未来的计算热力学本书的读者将获得一套全面的、可操作的计算工具箱，使其能够自信地解决从基础科学探索到工业规模设计中的热力学挑战。掌握这些方法，意味着能够预测尚未合成的材料的行为，并能以前所未有的精度优化现有流程，从而在能效和资源利用方面实现突破。