稀土热力学数据库计算体系研究

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稀土具有优异的光、电、磁、超导、催化等物理和化学性能,能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料,被广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、能源保护、农业等领域。我国稀土资源极为丰富,具有储量大、分布广、矿种全、类型多、价值高等特点,稀土储量和产量均居世界第一位,在稀土材料的研究中也居世界领先地位。稀土化合物物性数据库的建立将有助于整合稀土研究的数据资料,完善稀土基础研究内容,建立一个可以共享的基础数据查询和计算模拟服务的平台。稀土化合物热力学数据库作为该数据库中最为重要、最为复杂的子数据库,有必要进行专门的研究和设计。本论文从热力学数据库的基本内容入手,详细研究了热力学基础数据计算模块、热力学过程计算模块和热力学平衡计算模块的基本功能、计算模型、程序逻辑和实现过程,主要的研究内容如下:1)根据热力学计算的基本要求、数据库信息存储的格式和程序计算的特点,确定了基础数据资料的内容、格式、单位、有效数字等项目,设计了基础数据的计算模型和程序逻辑,实现了热力学基础数据的存储、检索、计算等功能,为用户提供数据服务的同时,也为其他热力学计算模块提供基本的数据信息。2)设计了以化学反应方程式为基础的热力学过程计算模块,引入了压力和活度修正项,建立了非标准状态热力学计算的模型和程序逻辑,扩大热力学计算的使用范围。非标准状态热力学计算公式也将引入到其他热力学计算模块中。3)设计了部分热力学计算的辅助程序,分析了这些辅助程序应具备的功能、实现程序的逻辑过程以及必要的计算模型,为热力学计算的主要计算程序提供服务,也使得热力学数据库更加完善和用户友好。4)综述了复杂体系化学平衡和相平衡计算的发展过程,对三类平衡计算理论以及相应的计算方法进行了简单的介绍和评价。结合本数据库的基础数据内容,确定了以最小Gibbs自由能原理作为本数据库化学平衡计算的理论基础,并确定了使用简约梯度法(Reduced Gradient, RG)作为本数据库化学平衡模块的基本计算方法。5)参照简约梯度法的计算原则和体系Gibbs自由能计算特点,完整地设计了复杂体系化学平衡与相平衡计算的数学模型和程序逻辑,分析了计算过程中各种简化、优化处理手段的物理和数学意义,通过与文献数据的比较,证明了热力学平衡计算模块的可靠性和实用性。通过以上各个模块的设计和研究,基本实现了稀土化合物热力学数据库体系的构造研究,完成了一般热力学计算的主要功能,为今后热力学数据库的深度开发提供了理论基础和先决条件。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 概述第12-34页
    1.1 热力学数据库第12-23页
        1.1.1 热力学数据库简介第12-13页
        1.1.2 热力学数据发展现状第13-22页
        1.1.3 热力学数据库的发展趋势第22-23页
    1.2 稀土元素第23-30页
        1.2.1 稀土矿物及分布第24-25页
        1.2.2 稀土元素的物理化学性质第25-28页
        1.2.3 稀土材料的应用第28-30页
    1.3 稀土化合物物性数据库第30-32页
    1.4 本论文的主要工作第32-34页
        1.4.1 主要内容第32-33页
        1.4.2 主要创新点第33-34页
第二章 热力学数据库基本数据第34-52页
    2.1 概述第34页
    2.2 热力学数据库中热容与焓的计算第34-38页
        2.2.1 热容第34-35页
        2.2.2 焓第35-38页
    2.3 热力学数据库中熵与Gibbs自由能的计算第38-42页
        2.3.1 熵第38-40页
        2.3.2 Gibbs自由能第40-42页
    2.4 基础数据及格式第42-47页
        2.4.1 热力学数据库中的计量单位第42-43页
        2.4.2 基础数据的内容第43-46页
        2.4.3 有效数字的选定和表示第46-47页
        2.4.4 超出温度范围的计算第47页
    2.5 基本数据计算程序实现第47-51页
    2.6 小结第51-52页
第三章 热力学数据库过程计算第52-72页
    3.1 概述第52页
    3.2 辅助程序第52-57页
        3.2.1 元素解析程序第52-53页
        3.2.2 分子式检索第53-54页
        3.2.3 反应方程式配平第54-57页
    3.3 热力学过程计算模型第57-62页
        3.3.1 标准状态的热力学过程计算第57页
        3.3.2 非标准状态的热力学过程计算第57-60页
        3.3.3 热力学过程计算公式第60-61页
        3.3.4 纯物质稳定相态的判定第61页
        3.3.5 纯物质的热力学过程计算第61-62页
    3.4 热力学过程计算的程序实现第62-69页
        3.4.1 纯物质热力学过程计算的程序实现第62-69页
        3.4.2 化学反应热力学过程计算的程序实现第69页
    3.5 小结第69-72页
第四章 复杂体系化学平衡计算研究第72-88页
    4.1 概述第72页
    4.2 平衡常数法第72-73页
    4.3 等化学位法第73页
    4.4 最小Gibbs自由能法第73-74页
    4.5 最小Gibbs自由能法的算法发展第74-82页
        4.5.1 Lagrange待定乘子法第74-77页
        4.5.2 最优化方法第77-78页
        4.5.3 全局最优化方法的引入第78-82页
    4.6 复杂体系化学平衡计算模型第82-87页
        4.6.1 目标函数的确定第82-84页
        4.6.2 最优化方法的算法确定第84-86页
        4.6.3 算法迭代步骤第86-87页
    4.7 小结第87-88页
第五章 复杂体系化学平衡计算的程序实现第88-106页
    5.1 概述第88页
    5.2 体系状态条件的确定第88-90页
        5.2.1 初始条件第88-89页
        5.2.2 平衡条件第89页
        5.2.3 辅助条件第89-90页
    5.3 建立目标函数及方程组第90-93页
        5.3.1 等式约束方程组第90-92页
        5.3.2 建立目标函数第92-93页
    5.4 迭代计算与参数优化第93-98页
        5.4.1 基组分获取第93-94页
        5.4.2 初始可行解第94-95页
        5.4.3 迭代步长第95页
        5.4.4 迭代终止条件第95-98页
    5.5 平衡计算程序逻辑第98页
    5.6 计算结果的比较和评价第98-101页
    5.7 热力学平衡计算在稀土冶金中的应用第101-104页
    5.8 本章小结第104-106页
第六章 结论第106-110页
    6.1 主要结论第106-108页
    6.2 展望第108-110页
参考文献第110-118页
附录A:论文中所使用的符号说明第118-120页
附录B:化学平衡迭代计算示例第120-130页
附录C:攻读博士学位期间发表的论文第130-134页
附录D:攻读博士学位期间参与的科研项目第134-136页
致谢第136页
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