分子动力学与热学.pptx

分子动力学与热学

汇报人：XX

2024-01-22

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REPORTING

目录

引言

分子动力学基本原理

热学基本概念与理论

分子动力学模拟方法与技术

热传导、热扩散与热辐射过程模拟

分子动力学在材料科学中应用举例

总结与展望

PART

01

引言

REPORTING

XX

研究物质微观结构和宏观性质之间的关系

揭示物质在不同条件下的热力学和动力学行为

为材料设计、药物研发等领域提供理论支持

PART

02

分子动力学基本原理

REPORTING

XX

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2

3

除非受到外力作用，否则物体会保持静止或匀速直线运动状态。

第一定律（惯性定律）

物体的加速度与作用力成正比，与物体质量成反比，即F=ma。

第二定律（动量定律）

两个物体之间的相互作用力总是大小相等、方向相反。

第三定律（作用与反作用定律）

03

预测-校正法

一种更为精确的数值积分方法，通过预测和校正步骤来逐步逼近真实解，适用于高精度模拟和复杂系统的研究。

01

Verlet算法

一种简单的数值积分方法，通过泰勒级数展开将位置和时间的关系表示为差分方程，适用于短时间步长的模拟。

02

VelocityVerlet算法

在Verlet算法的基础上引入速度项，提高了计算精度和稳定性，适用于较长时间步长的模拟。

PART

03

热学基本概念与理论

REPORTING

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温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。

温度

热量是指当系统状态的改变来源于热学平衡条件的破坏，也即来源于系统与外界间存在温度差时，我们就称系统与外界间存在热学相互作用。作用的结果有能量从高温物体传递给低温物体，这时所传递的能量称为热量。

热量

热力学第一定律，又称能量守恒定律，即能量在转化和转移的过程中总量保持不变。它指出，在封闭系统中，能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。

热力学第一定律的数学表达式为：ΔU=Q+W，其中ΔU表示系统内能的增量，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外所做的功。

VS

热力学第二定律，又称熵增定律，指出在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。它表明，在封闭系统中进行的自然过程总是朝着熵增加的方向进行。

热力学第二定律有多种表述方式，如克劳修斯表述、开尔文表述等。其中克劳修斯表述为：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。开尔文表述为：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。

PART

04

分子动力学模拟方法与技术

REPORTING

XX

根据研究体系的特点，选择合适的初始构型，如晶体结构、无定形结构等。

初始构型选择

按照麦克斯韦-玻尔兹曼分布随机生成初始速度，以模拟真实体系的热运动状态。

初始速度分配

通过能量最小化方法，如最速下降法、共轭梯度法等，对初始构型进行优化，消除不合理的高能构象。

能量最小化

边界条件处理

根据模拟体系的实际情况，选择合适的边界条件，如自由边界条件、固定边界条件、周期性边界条件等。

周期性边界条件应用

对于具有周期性的体系，如晶体、溶液等，可以采用周期性边界条件来消除边界效应，提高模拟的准确性。同时，周期性边界条件还可以减少计算量，提高计算效率。

PART

05

热传导、热扩散与热辐射过程模拟

REPORTING

XX

将连续的物理场离散为网格节点上的值，通过差分方程近似求解热传导方程。

有限差分法

有限元法

谱方法

将求解域划分为有限个单元，构造插值函数表示单元内温度分布，通过变分原理求解热传导问题。

利用正交多项式或三角函数等基函数展开温度场，将偏微分方程转化为常微分方程求解。

03

02

01

建立描述辐射强度在空间中传播的数学模型，通过数值方法求解得到热辐射的分布和传播。

辐射传递方程

模拟光线的传播路径和能量交换过程，统计得到热辐射的能流密度和温度分布。

蒙特卡罗光线追踪

将计算域划分为有限个体积元，通过守恒原理建立热辐射传递的离散方程，求解得到热辐射场。

有限体积法

PART

06

分子动力学在材料科学中应用举例

REPORTING

XX

通过模拟原子间相互作用，计算金属材料的弹性常数，如杨氏模量、剪切模量等，以评估材料的刚度。

弹性常数计算

模拟金属在受力过程中的原子运动，揭示位错、孪晶等塑性变形机制，预测材料的强度和延展性。

塑性变形机制

研究金属材料在循环载荷下的原子运动，分析疲劳裂纹的萌生与扩展，预测材料的疲劳寿命和断裂韧性。

疲劳与断裂

链段运动模拟

计算高分子材料在不同温度下的热力学性质，如比热容、热膨胀系数等，分析其与玻璃化转变温度的关系。

热力学性质计算

结构与性能关系

探讨高分子材料的化学结构、链段