[理学]热力学讲义——第一章.ppt

计算机分子模拟简介 1. 计算机模拟在化工中的重要性 1. 化学工程工作者迫切需要从分子水平来研究系统的微观结构及其宏观热力学性质和传递性质, 以用于检验和改进各种理论模型。 2. 化工行业的持续发展倚赖于新技术的开发，如膜技术、生物化工技术、表面及界面技术等。除了准确的物性数据外，还需要了解各种复杂现象的机理。 3. 对提供某些极端条件下及实验设备非常昂贵或试剂有剧毒时，能直接提供实验数据以供参考。 计算机模拟的概念 从统计力学基本原理出发，将一定数量的分子输入计算机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计算。 分类：蒙特卡罗方法（MC） 分子动力学方法（MD） 计算机模拟的发展历史 1. 蒙特卡罗方法1953 Metropolis, Ulam, Rosenbluth and Tell Los Alamos Naotioanal Lab Monte Carlo simulation of hard sphere. 2. 分子动力学方法1957 Alder and Wainwrigth Livermore Lab Molecular dynamics simulation of hard spheres. 计算机模拟的发展历史（续） 计算机分子模拟的特点 1. 原子水平的模拟 2. 计算机实验 3. 检验理论、筛选实验 4. 科学研究中的第三种方法 MC方法简介 利用马尔可夫链方法产生感兴趣的系综微观态。 对这些微观态进行系综平均来获得热力学性质。 只对系统中粒子的位置抽样，不包含动能部分，提供的是系统的超额性质。 正则系综(NVT)、巨正则系综(mVT)、 Gibbs系综 MD方法简介 概念： 从系统中各粒子间的相互作用解每个粒子的牛顿运动方程 (f=ma) 。 MC与MD的区别 Monte Carlo 系综平均，不包含动力学部分； 利用概率行走产生微观态。 Molecular dynamics 时间平均，产生动力学性质； 利用运动轨线随时间的变化来产生一系列微观态。 计算机模拟的应用领域 生物、制药 力学、物理学 化学、物理学 化学、化工 微电子、微机械 地质、矿产 2. 计算机模拟在化工中的应用领域 2.1 传统化工领域中的应用 建立状态方程 研究分子微观结构，发展溶液理论 研究分子的扩散性质 2.1 化工新技术开发中的应用 在表面及界面过程研究中的应用 在复杂流体过程中研究的应用 复杂流体如：胶体悬浮液、高分子溶液、表面活性剂溶胶等。 超临界过程研究中的应用 在多相催化研究中的应用： 对催化剂进行表征 表面吸附与脱附过程及表面性质的模拟 催化剂表面反应机理的模拟 化工领域中计算机模拟方法所面临的问题和展望 人们对物质微观世界的了解远不如对相对成熟的模拟方法了解深刻。 大多数计算机分子模拟的应用，还停留在从实验数据得出分子-原子细节的阶段。 缺乏精确描述流体的位能函数以及高度可靠的算法。 3. 本组的近期工作 巨正则系综蒙特卡罗模拟二氧化碳在石墨狭缝孔中的吸附 GCMC Simulation of Carbon Dioxide Confined in Slit-like Pore Local density r*(z*,q) of carbon dioxide in the slit pore with width H=0.61nm at pressure P=3.41Mpa. Local density r*(z*,q) of carbon dioxide in the slit pore with width H=0.91nm at pressure P=3.41Mpa. H=1.52nm，P=3.41MPa Local density r*(z*,q) of carbon dioxide in the slit pore with width H=1.52nm at pressure P=3.41Mpa. 连接性指数方法在高分子体系中的应用 连接性指数方法广泛用于描述常规分子体系的结构——性质间关系(QSPR or QSAR)。特别在药物分子设计及环境相关物质方面应用较多，但扩展应用于高分子时具有一定的困难。 模型流体的精确结果 真实流体 模型化 模型流体 进行实验 计算机模拟 构造近似理论 实验结果 理论预测 测试模型 测试理论 实验、理论与计算机模拟之间的关系图 从上个世纪九十年代初期以来，计算机模拟技术得到了飞速发展，主要基于三个方面的发展： 分子力场的发展（基石） 原子间的键长、键角、分子间的内聚能