Компьютерное моделирование химических взаимодействий
Шрифт:
Существует два фактора, влияющих на соответствие расчетных данных реальному составу равновесной системы. Один из них (метод расчета) мы уже рассмотрели. Другим являются исходные данные, участвующие в расчете – их полнота и точность [2, 3].
Каким бы точным ни был метод расчета – его результаты будут ошибочными, если ошибочны исходные данные, закладываемые в него.
В нашем случае исходными данными являются термодинамические характеристики всех возможных химических веществ, способных образоваться в системе, а именно:
• термодинамические константы стандартного состояния: ?fH, ?fG, S (любые
• термические константы фазовых переходов (при наличии переходов): Ttr, ?H (или ?S, т.к. ?H = Ttr ?Str);
• температурно-зависимые функции G(T) (при фиксированном, стандартном значении P = P0 = 1 бар).
Несмотря на кажущееся обилие представленной информации, данные нередко противоречивы, не согласованы, неполны или вовсе отсутствуют.
Выявление этих ошибок в данных и их устранение представляет собой самостоятельную многослойную и сложную проблему. Давайте сформулируем основные требования, которым должны удовлетворять соответствующие базы термодинамических данных.
Исходное требование – достаточная полнота базы по спектру содержащихся в ней веществ. При моделировании поведения системы (как и в случае применения экспериментальных методов исследования) неучет отдельных веществ, способных в ней образовываться, может приводить не только к неполному, но и к искаженному представлению о свойствах всей системы в целом. В то же время ошибочный учет соединений, которые при рассматриваемых условиях не могут образовываться в системе, не нарушает корректности модели.
Очевидно и другое условие полноты – по набору заданных термодинамических характеристик вещества базы, необходимых для корректного построения его термодинамического описания в рассматриваемом диапазоне значений параметров состояния.
Термодинамические характеристики веществ чаще всего определяют экспериментально по данным ряда сложных реакций. Это приводит к необходимости «внешнего» согласования данных всех веществ, входящих в базу данных.
Также согласованность должна быть и «внутренней» – энтальпии, энергии Гиббса и энтропии веществ всегда должны удовлетворять тождеству: ?H = ?G + T?S для любой возможной реакции между ними.
И, наконец, еще одно ключевое требование – необходимая достоверность собственно термодинамических характеристик веществ базы. Она определяется качеством соответствующих составляющих – «индивидуальных» и «реакционных», характеризующих в совокупности корректность и точность термодинамического описания вещества.
Отметим, что рассмотренные требования, которым должна удовлетворять база данных, оказываются взаимосвязанными. Если, например, исходные данные противоречивы или недостаточно надежны, то достичь внутренней, и тем более их внешней согласованности, невозможно. Ежели требуемые термодинамические характеристики не определены или настолько не согласованы, что не могут быть включены в базу, то полноту и достоверность данных обеспечить не удается.
Ещё один из аспектов условия полноты термодинамических данных – относительно всего поля устойчивого существования соединения – особо актуален при исследовании неорганических
На основании многолетней работы нами были собраны базы термодинамических данных, обладающие требованиями химической полноты, термодинамической полноты и объективной точности содержащейся в них информации.
Кроме того, ведется постоянная работа над базами данных, в результате чего происходит их пополнение и улучшение.
Методы расчета термодинамических характеристик
Случаются ситуации, когда в исследуемых системах образуются такие соединения, которые на сегодняшний день малоизучены. Их термодинамические характеристики неполны, а то и вовсе отсутствуют. В таких случаях возможно применение различных расчетных методик, что является отдельной непростой задачей.
С одной из таких системы мы столкнулись, когда начали изучать проблемы, возникающие в трубопроводах при добыче и транспортировке нефти.
Одной из трудностей в термодинамическом исследовании таких систем является образование в них газовых гидратов – соединений, которые нестабильны в обычных условиях, а потому их свойства мало изучены.
Вследствие проведенной работы [4] был осуществлен анализ существующих подходов к исследованию свойств газогидратов и получены их термодинамические характеристики, необходимые для дальнейших расчетов.
Изучение методов расчета не рассматривается в данном пособии, предлагаем заинтересованным читателям начать с [5].
Виды термодинамических расчетов
В данном разделе мы введем терминологию, которой будем пользоваться в следующих частях книги для описания исследования реальных систем методом термодинамического моделирования. Кроме того, рассмотрим виды термодинамических расчетов и их области применения.
Фазовый расчет. Представьте такие условия, при которых вещества в системе могут химически реагировать между собой, но не могут образовывать растворов. На практике приближенные к этому условия могут быть реализованы в системе, состоящей из веществ, находящихся в твердом состоянии.
Термодинамическая модель такой системы предполагает, что все вещества существуют в системе только в индивидуальном состоянии, то есть их активности равны единице, не образуется ни твердых, ни жидких, ни газообразных растворов.
Фазовый расчет можно также разделить на два: без возможности образования газов и с возможностью образования газов.
Первый случай реализуется в условиях, когда в системе невозможно газообразование: толща материала, высокие давления и пр.
Второй случай, когда образование газов возможно, однако при этом газы не образуют растворов, а существуют в индивидуальном состоянии, является, по сути, упрощением реальных систем.