自擴散系數(shù)超臨界水密度和自擴散系數(shù)預測

水是能在地球表面的熱力學條件下自然存在汽、液、固三種物理狀態(tài)的化合物，在地質、海洋、化學、生物等許多領域中都涉及到水溶液的問題。超臨界水作為一種很有前途的反應介質應用于許多環(huán)境友好技術之中，引起了人們廣泛的重視和深入的研究。在許多工程實際應用中，人們對從分子水平上了解水溶液的結構和傳遞性質的需求與日俱增。采用實驗的手段研究超臨界水的結構和傳遞性質是一項非常艱巨的工作，通常需要很苛刻的實驗條件，而且費用高昂。隨著計算機的普及，計算機分子模擬方法已逐步成為與理論研究平行的一種方法，采用分子模擬技術研究水溶液的性質正受到日益廣泛的關注。

采用分子動力學方法模擬溫度范圍為673.15～873.15K，壓力范圍為22.1～131.3MPa條件下不同狀態(tài)點水的密度和自擴散系數(shù)，經與實驗結果進行對比。模擬體系為256個水分子，模擬系綜為等溫等壓系綜。模擬結果表明:密度和自擴散系數(shù)的模擬預測值與實驗值基本一致;密度的模擬預測值大多低于實驗值，最大相對誤差小于-20%;自擴散系數(shù)的模擬預測值大多高于實驗值，但最大相對誤差小于±20%。在缺乏實驗數(shù)據(jù)時，利用單點電荷（SPC)勢能模型，可采用分子動力學方法預測超臨界水的密度和自擴散系數(shù) 。

自擴散系數(shù)的表達式為DT=kTD。其中kT為熱擴散比；D為熱擴散系數(shù)。SI單位為：米²/秒，化工中常用：厘米²/秒，米²/時。物體中某一點的溫度的擾動傳遞到另一點的速率的量度?？捎上铝嘘P系式表示：α=λ/（ρ·Cp)。式中λ為熱導率；ρ為物體的密度；Cp為物體的定壓比熱容，單位為m²/s。熱擴散系數(shù)比熱導率有更直覺的反應。就是說，熱導率高的材料并不一定使你感到物體這頭熱了，那頭很快就熱；而熱擴散系數(shù)大的材料就能使你感到“溫度”很快從這頭傳到了那頭。

自擴散系數(shù)是指物體中某一點的溫度的擾動傳遞到另一點的速率的量度。用符號DT表示，表達式為DT=kTD。它是表示氣體（或固體）擴散程度的物理量。在氣體中，如果相距1厘米的兩部分，其密度相差為1克/厘米^3，則在1秒內通過1厘米^2面積上的氣體質量，規(guī)定為氣體的擴散系數(shù)。

學術界暫未找到非常理想的液體分析模型，導致了描述液體狀態(tài)的困難，簡化的硬球模型對液態(tài)金屬的一些性質取得了成功的解釋，在這個模型中，將液態(tài)金屬原子作為一種惰性硬球來描述和處理，這種模型與分子動力學模擬方法具有一定的相似性 。

由于液體分子堆積密度較大，分子總處在較強相互作用的范圍內，所以液相擴散系數(shù)的測量和理論描述遠比氣體及固體困難，未見液態(tài)純鐵的自擴散系數(shù)的實驗結果報道，在液態(tài)純鐵的研究方面，David針對測量了地核區(qū)高溫高壓下的2~20GPa液態(tài)鐵的自擴散系數(shù)。Jang等采用分子動力學方法研究了固態(tài)鐵的自擴散系數(shù)，表明了在較低溫度下分子動力學模擬存在一定的誤差。Shu等采用MAEAM模型研究了固態(tài)鐵的自擴散激活能，研究結果能與實驗數(shù)據(jù)較好地符合。沈通等研究了1873K液態(tài)純鐵的分子動力學和耗散粒子動力學研究。王煥榮等研究了液態(tài)純鐵的微觀原子模型，獲得了液態(tài)純鐵在1550℃下晶格常數(shù)為0.305427nm 。2100433B

x = exp(-at)*A*cos(bt phi)里exp自對數(shù)底指數(shù)函數(shù)abAphi 由阻尼勁度系數(shù)滑塊質量及初狀態(tài)決定

不均勻系數(shù)

式中：

①體膨脹系數(shù)(αv):定壓下體積隨溫度的相對變化率，即式中V、T、p分別代表體積、溫度和壓力；下角標p表示發(fā)生的過程是在定壓條件下進行的。對于固體和液體，αv只隨溫度和壓力發(fā)生些微的變化，因此當溫度變化不大時，αv可當作常數(shù)；對于理想氣體，αv=1/T。

② 定溫壓縮系數(shù)(K)：定溫下體積隨壓力的相對變化率，即式中"－"號表示體積將因壓力增大而縮小。對于固體和液體,K值隨溫度和壓力的變化甚小，因此可看作常數(shù)；對于理想氣體，K=1/p。

③ 絕熱壓縮系數(shù)(KS)：絕熱條件下體積隨壓力的相對變化率，即式中下角標"s"表示絕熱。一般地,KS≯K；水在4℃時，KS=K。

④ 相對壓力系數(shù)(αp):定容下壓力隨溫度的相對變化率，即對于理想氣體，αp=1/T。

各個熱系數(shù)間的關系是：