ניתוח התרמודינמיקה של ננו-חומרים ביישומים להנדסה כימית

מבוא ל-Nanomaterials בהנדסה כימית

ננו-חומרים - עם לפחות ממד אחד בטווח של 1 עד 100 ננומטר - עיצבו מחדש את הנוף של הנדסה כימית.יחס פני השטח הגבוה שלהם לנפח, אפקטים של הגבלת קוונטים, וכימיה של פני השטח טונה נותן להם תכונות שונות באופן משמעותי מחומרים גדולים. הבדלים אלה אינם רק אקדמיים; הם משפיעים ישירות על האופן שבו מהנדסים מעצבים, נוסחאות, ואופטימיזציה של ניתוח תרמודינאקטיבי של טכנולוגיות מורכבות של שינוי לא צפוי, ללא שינוי לא רציונלי, אלא גם על ידי שינוי לא פחות משינויים לא פחות מהשפעות של שינויים לא רציונליים, אלא גם על ידי תהליכים לא רציונליים, עקב יעילות לא רציונליים, אלא גם על ידי שינוי לא רק על ידי עיבוד לא רציונליים, אלא גם על ידי שינוי לא רציונליים, אלא גם על ידי שינוי לא רציונליים, אלא גם על ידי תהליכים לא רציונליים, אלא גם על ידי תהליכים לא רציונליים, עם יעילות, עם יעילות לא רציונליים, עקב יעילות לא רציונליים, עקב שינויים לא רציונליים, עקב שינויים לא רציונליים, אלא גם על ידי שינוי לא רציונליים, אלא גם על ידי שינוי לא רציונליים, עקב שינויים לא רק על ידי שינוי יעיל של תהליכים של תהליכים של תהליכים של תהליכים של שינויים לא פחות מעצימותיים, אלא גם על ידי

מהנדסים כימיים מסתמכים באופן שגרתי על עקרונות תרמודינמיים כדי לחשב את מאזן האנרגיה, לקבוע תגובה שוויונית של אטומים, ולעצב מחליפי חום. כאשר החומר של עניין הוא ננו-חומרי, אותם עקרונות חלים – אך עם שינויים שמהווים את השיעור הגבוה של אטומים משטח, אנרגיה מוגברת על פני השטח, ואפקטי המגבלות של אנרגיה מגבילה. לדוגמה, נקודת ההיתוך של ננופי זהב יכולה להיות נמוכה ממאות מעלות מזו של כמות גדולה, כלומר, כלומר, שינוי מהותי של שינוי מהותי של חומר זה דורש שינוי כימי, כמו אפקט של שינוי מהותי, כמו שינוי כימי, כמו אפקט של חומר זה דורש שינוי מהותי, כמו שינוי כימי, כמו גרורתי, כמו אפקט של חומר זה דורש שינוי משמעותי.

מאמר מורחב זה מספק ניתוח מקיף של התרמודינמיקה של ננו-חומרים בהנדסה כימית.זה מכסה את העקרונות השולטים, וריאציות רכוש תלויות בגודל, אפקטים על פני השטח והממשק, מודלים של גישות, ואת אזורי יישום מרכזיים.המטרה היא לתת מהנדסים וחוקרים מסגרת מעשית עבור שילוב ננודינמיקה לתוך תהליך שלהם בחירת חומרים.

עקרונות התרמודינמיקה של ננו-חומרים

המסגרת התרמודינמית הקלאסית המשמשת לחומרים גדולים נותרה בתוקף ב- ננוקל, אך החשיבות היחסית של פני השטח והמונחים הבין-גזעיים גדלה באופן דרמטי.עבור חומר רב, תרומות פני השטח לאנרגיה חופשית הכוללת אינן ניתנות להכחשה, משום שמספר האטומים הפנימיים באופן עצום ממספרים על פני השטח.עבור חלקיקים של 5 ננומטר, עם זאת, בערך 40-50% מכלל האטומים חיים או ליד פני השטח.

Enthalpy ב-Nanoscale

אנת'לפי (H) מייצג את התוכן החום הכולל של מערכת בלחץ קבוע.עבור ננו-חומרים, הנטל הוא סכום של הנטל הגדול ותרומת פני השטח תלויה על פני השטח ואנרגיה מסוימת על פני השטח כמו גודל חלקיקים יורדת, תרומת פני השטח הופכת להשלכות מעשיות: החום המשוחרר במהלך תגובה קטליטית על ננוקטית יכול להיות שונה במיוחד מתהליכי קירור אנרגיה גבוהים יותר, כי אם כי הם פועלים על פני השטח של מערכות אנרגיה גבוהה יותר.

הפרעת tropy ו-Controiguרציונלי

אנטרופיה (S) מדמה את מידת ההפרעה או האקראיות במערכת.In nanomaterials, שינויים אנטרופיים מתעוררים ממספר מקורות.השבריר הגבוהה של אטומי פני השטח מציגה דרגות רטט ותצורה נוספות של חופש, לעתים קרובות להגדיל את המכלול יחסי לגודל זה.באותו זמן, הגבלת גודל אחד או יותר יכול להגביל את התנועה המולקולרית, צמצום רמות אנטרופיה בכיוונים מסוימים, אך תלוי באופן תקין של חומרת, על פני השטח, אך ורק על פני השטח, על פני השטח, אך תלוי בגודל של חומר זהה, אך ורק על פני השטח.

גיבס אנרגיה חופשית ו ספונטניות

גיבס אנרגיה חופשית (G) מספק את הקריטריון עבור spontaneity בטמפרטורה מתמדת ולחץ: תהליך הוא חיובי יחסית כאשר ⁇ G הוא שלילי. עבור ננוחומרים, אזור השטח מונח מוסיף מרכיב נוסף G: G = G = G bulk + ⁇ A, שבו ⁇ הוא פני השטח ללא הגבלה חינם עבור שטח, הוא שטח השטח הכולל מאז בקנה מידה בסרום עם חלקיקים גדולים יותר מאשר לעתים קרובות גודל זה של חומר גדול יותר של חלקיקים.

גודל-Dependent Thermodynamic Properties

התכונות התרמודינמיות של ננו-חומריות אינן קבועות; הן משתנות ללא הרף עם גודל חלקיקים, צורה וכיוון קריסטלוגרפיה.אפקטים התלת-ממדיים הנלמדים ביותר כוללים אנרגיה על פני השטח, נקודת התכה וקיבולת חום.כל אחד מהם משפיע על האופן שבו ננו-חומרים מתנהגים בפעילות הנדסית כימית.

אנרגיה ומשטח Tension

אנרגיה על פני השטח היא האנרגיה החינמית עודף של שטח ליחידה בין שלב מזוהם לבין סביבת החוסן או הנוזל שלה. at the nanoscale, ערכי אנרגיה על פני השטח אינם קבועים - הם מגבירים ככל שגודל החלקיקים יורד עקב ההחלמה המוגברת והעובדה המקבילה ל-Leplace הלחץ של Nund-Laplace (Rine-Laplace) הוא לחץ כימי מסוג 2K2 / ⁇ r, מראה כי הלחץ הפנימי בתוך חלקיקים עצומים בתוך תהליך NUSFol) הופך ל-Ricleicleicleicleiclemitem (אפקט) ל-Riclemoliclenap) של כל כך נמוך יותר מ-Ricr = 2, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לחץ פנימי של משוואה (Ricr = 2Klutexremuallym) של לחץ פנימי של משוואה (Ricr=Ricr = 2, לחץ פנימי של משוואה) מ-LUMDVal) הוא לחץ פנימי של סגסוגת בגודל של סגסוגת בגודל של לחץ פנימי של סגסוגת בגודל של לחץ פנימי של סגסוגת בגודל של סגסוגת בגודל של סגסוגת בגודל של סגסוגת בגודל של סגסוגת בלחץ גבוה יותר מ-Laplacedm

נקודת השפל

אחד ההשפעות המובעות ביותר של גודל תלוי הוא דיכאון נקודה. עבור חלקיקים קטנים, נקודת ההיתוך יכול להיות מאות מעלות מתחת לערך הגדול.הסבר התרמודינמי הוא פשוט: בשלב הנוזל יש אנרגיה ממשטח נמוך יותר מאשר השלב המוצק, כך היתרון האנרגיה החופשי של נוזל גדל כמו גודל חלקיקים מוגבל. משוואה גיבס-Thomson מתייחס נקודת ההיתוך לחלקיק: t m m ⁇ m ⁇ m ⁇ recrecreic כאשר הוא c ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ reic p ⁇ recreic p ⁇ ⁇ ⁇ reic p ⁇ p ⁇ recrecrecrecrecrecrecreic p ⁇ recrecreic t ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ hr ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ hr ⁇ ⁇ hr ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ p hp ⁇ ⁇ rem hr ⁇ m ⁇ p ⁇ m ⁇ p {\displaystyle t ⁇ p ⁇ p ⁇ p {\displaystyle t ⁇ p ⁇ p ⁇ pl ⁇ p

אפשרויות לחום Variations

קיבולת חום (C p) מתארת כמה אנרגיה נדרשת להעלות את הטמפרטורה של חומר לפי תואר אחד. at the nanoscale, C p לעתים קרובות עולה בהשוואה לערך הגדול כי לאטומי משטח יש מצבי רטט רכים יותר ואפקטים גדולים יותר של מדידות ניסיוניות על חלקיקים של מתכות, תחמוצת חלקיקים, ומוליכים למחצה להראות כי C p יכול להיות גבוה יותר 10 חיישנים גדולים יותר מאשר קיבולת גבוהה יותר של חומרים כימיים בגודל של חומרים פגומים של חומרים פגומים יותר מאשר קיבולת גבוהה יותר מאשר קיבולת גבוהה יותר מאשר קיבולת גבוהה יותר מאשר קיבולת גבוהה יותר מאשר קיבולת גבוהה יותר של חומרים פגומים של תאים גמישה.com.

Surface and Interface Thermodynamics

בכל מערכת המכילה ננו-חומרים, ממשקים שולטים בנוף התרמודינמיקה.הממשק בין חלקיקים וסביבתה – בין אם גז, נוזל או מוצק – הוא אזור של ⁇ s תלולים בהרכב, צפיפות ואנרגיה. מהנדסים כימיים חייבים לשקול לא רק את האנרגיה של פני השטח של החלקיק החבוי, אלא גם את האנרגיות הבין-גזעיות כאשר החלקיק מכוס עם ligas,antsact, או תומך.

אדמירדינמיות בממשקים ננומטריים עוקבות אחר זהויות.הדלנג ומודלים טובים יותר, שפותחו במקור עבור משטחים שטוחים, דורשים תיקונים עבור משטחים והתפלגות הלא אחידה של אתרים מחייבת על חלקיקים.הקבוע המחייב עבור מולקולה על משטח מעוקל שונה מזה על פני משטח תוכנית בשל הבדלים במספר וגישה סטרקטיבית זה הוא רלוונטי במיוחד עבור מולקולות קטרקט רלוונטיות.

התנהגויות מתפשטות ומפיצים משתנות גם במתחי השטח הננומטריים.המשוואה הצעירה, המתייחסת לזווית המגע אל משטח מוצק-vapor, מוצק-liquid, ונוזל-vapor, מניחה משטח מושלם, הומוגני לחלוטין. A ננופי חלקיקים עם פניות, קצוות, ופינות מציג משטח heterogeneous שבו זווית מגע מקומית יכולה להשתנות עבור מהנדסים כימיים או צינורות המבוססים על פני השטח.

מודל התרמודינמיקה והסימולציות מתקרב

חיזוי ההתנהגות התרמודינמית של ננו-חומרים דורש מודלים מעבר למשוואות גדולות קלאסיות.שיטות סימולציה אטומיסטית - כולל דינמיקות מולקולריות (MD), מונטה קרלו (MC), ותאוריית פונקציונליות צפיפות (DFT) - הן כיום כלים סטנדרטיים לחישוב שיטות הנישא, אנטרופיה, ואנרגיה חופשית של מערכות ננומטריות.

סימולציות מולקולריות יכולות לשחזר ישירות את גודל הדיכאון ואת הגדלת יכולת החום על ידי מעקב אחר הטרקטוריות של אלפי למיליונים של אטומים.האתגר הוא כי סימולציות MD מוגבלות לזמני זמן קצרים (ננות למיקרו-שניות), כך תהליכים איטיים כגון אוסטוואלד בשלג או משטח מאפשר פיזור מצריך טכניקות מואצות או מודלים מוטיבים.

עבור תרגול הנדסי, המטרה היא לשלב תחזיות אטומיות אלה לתוך מודלים תרמודינמיקה בקנה מידה מתמשך. גישה רב-מידה זו מאפשרת מהנדסים כימיים להשתמש בנתונים תרמודינמיקה בגודל של גודל תלוי סימולטורים (למשל, אספן פלוס, gPROMS) עבור עיצוב כור, שילוב אנרגיה וניתוח בטיחות. כמו עלייה כוח חישובי ושדות כוח כוח כוח כוח כוח שיפור, הדיוק של התחזיות אלה ימשיכו לעלות, ניסיון עבור תהליך פיתוח טרור.

יישומים בהנדסה כימית

עקרונות התרמודינמיקה שתוארו לעיל יש יישומים ישירים על פני תחומים הנדסיים כימיים מרובים. להלן הם שלושה תחומים מרכזיים שבהם ננו-חומר תרמודינמיקה משחק תפקיד מכריע.

פסיכואנליזה heterogeneous Catalysis

ננוקטאליססט מנצל את שטח פני השטח הגבוה ואת המבנה האלקטרוני הייחודי של חלקיקים כדי להאיץ תגובות כימיות.היציבות התרמודינמית של הזרז בתנאים התגובה - זמן, לחץ ואווירה תגובתית - היא דאגה עיקרית אם חלקיקים הם קטנים מדי, הם עלולים לקשור חזק מדי או תנודתי; אם הם גדולים מדי, השטח ליחידות להפחית את הגודל התלוי של פעילות גופנית, אך לא רק עבור חומר לחץ דם מינימלית אחת בלבד, אלא גם לא ניתן להגיב באופן ישיר על פני השטח, אלא רק על ידי שינוי חלקיקים, אלא רק על פני השטח המתאים ביותר, אלא רק על פני השטח, אלא רק על פני השטח.

מערכות אחסון אנרגיה

חומרים ננודור משמשים נרחב סוללות, supercapacitors, ומערכות אחסון אנרגיה תרמיים. סוללות ליתיום-יון, חומרי ode ננומטרי (למשל, חלקיקים סיליקון) מציעים יכולת גבוהה יותר מאשר גרף גרפיטי רב, אבל הם גם עוברים שינויים נפח גדול במהלך רכיבה על פני השטח.הלחץ התרמודינמי הנובע משינוי נפח יכול להיות מובן באמצעות פוטנציאל כימי של לייום ב nanoparticle, אשר תלוי בגודל של טמפרטורה מדויקת כדי למנוע לחץ על פני השטח הנכון כדי למנוע את גודל לחץ על פני השטח.

תהליכי הפרדה מבוססי-מברנן

ננו חומריים משולבים במזכרות כדי לשפר את הסלקטיביות ואת ההכנות בהפרדה גז, טיהור מים, ופתרון התאוששות.כוח הנהיגה התרמודינמי לתחבורה על פני מנברן הוא הפוטנציאל הכימי של כל מין. כאשר המזכר מכיל חלקיקים - או כממלאים במגרש פולימר או כשכבה רציפה - הפוטנציאל הכימי של המולקולות המובחנות, יתר על ידי חלקיקים כימיים, או חלקיקים אחרים, או חומרים אופטימנטליים, או חומרים אופטימנטליים, או חומרים אלה, או חומרים אופטימנטליים, או חומרים אופטימנטליים, או תקינים, או משככי כאבים, או משככי כאבים, או , או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי כאבים, יכולים להגדיל באופן כללי, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי כאבים, או משככי כאבים, או משככי חומרים כימיים, או משככי כאבים, או משככי כאבים, או משככי כאבים, או משככי כאבים, או משככי משקל, או משככי משקל, או משככי כאבים, או משככי

אתגרים אפשריים ו-Salability

למרות התכונות המבטיחות של ננו-חומרים, חוסר היציבות התרמודדית שלהם ביחס לשלבים גדולים יוצרת אתגרים מעשיים. nanoparticles נוטים agglomerate כדי להפחית את האנרגיה הגבוהה שלהם על פני השטח, והם עשויים לעבור אוסטרוולד הבשלה במהלך עיבוד או ניתוח. ציפויים על פני השטח (רצועות, oxides, או קליפות פולימרים) יכולים לייצב ננופי, אבל אלה יש תכונות תרמודינמיקה כי צריך להיות השפעה של חומר כימי, כלומר, כלומר, כלומר, הציפוי של חומר כימי, כלומר, הציפוי של חלקיקים פוטנציאליים של חומר כימי, או חלקיקים פוטנציאליים.

סקלאביליה היא דאגה נוספת.הסינתזה של חלקיקים מייצרת לעתים קרובות חלקיקים עם התפלגות בגודל צר וכימיה משטח מוגדרת היטב, אבל לתרגם תוצאות אלה לייצור בקנה מידה תעשייתי קשה.תרמודינמיקה של היווצרות חלקיקים - חלקיקים וצמיחה - רגיש מאוד לריכוז מקומי, פרופילי טמפרטורה, ושילוב תנאים. A תהליך שעובדת בסוכן בקנה מידה בקנה מידה עשוי לייצר התפלגות חלקיקים לחלוטין, חייב לפתח מודלים של התפתחות גנטית של תהליכים של תאים של חום.

כיוונים עתידיים למחקר

מספר גבולות נשארים פתוחים בניתוח תרמודינמיקה של ננו-חומרים להנדסה כימית.עדיפות אחת היא פיתוח של מסדי נתונים מדויקים, מתואמת ניסיוני של תכונות תרמודינמיקה תלויות בגודל של מגוון רחב של חומרים.כיום, רוב הנתונים זמינים רק עבור כמה מערכות מתקדמות היטב (למשל, זהב, כסף, פלטינה).

תחום אחר של מחקר פעיל הוא התרמודינמיקה של ננו-חומרים בתנאים שאינם-קלידיים. תהליכי הנדסה כימיים רבים פועלים רחוק מאיזון – למשל, בכורי זרימה מהירים או במהלך רכיבה תרמית מהירה.תרמודינמיקה של איזון קלאסי מספקת את נקודת ההתחלה, אך לחזות את ההתנהגות של ננו-חומרים בתנאים אלה עשויים לדרוש מסגרות מורחבות כגון תרמודינמיקה או פרדוקסלימטיקה אלה.

לבסוף, השילוב של למידת מכונה עם מודלים תרמודינמיים מציע נתיב חזק קדימה.רשתות נילי ומודלים אחרים מונעים נתונים יכולים ללמוד את המיפוי בין גודל חלקיקים, צורה, הרכב, ונכסים תרמודינמיקה ממאגרי נתונים גדולים שנוצרו על ידי DFT ו MD סימולציות.לאחר אימון, מודלים אלה יכולים לחזות את המאפיינים של ננו-חומרים חדשים באופן מיידי, המאפשר בדיקות מהירה של חומרים מועמדים עבור יישומים הנדסיים ספציפיים.

מסקנה

הניתוח התרמודדינמי של ננו-חומרים הוא פריצה ליבה של מהנדסים כימיים הפועלים בחזית השיתוק, אחסון האנרגיה וטכנולוגיית הפרדה.אפקטים תלויי גודל באנרגיה על פני השטח, נקודת התכה, ויכולת החום לשנות את מאזן האנרגיה היסודי השולט בעיצוב תהליכים ויציבות חומרית.על ידי שילוב ההשפעות הללו למודלים מתודולוגיים הנדסתיים - החלמות סימולציה של תהליכים סימולציה בקנה מידה ארוך-תרגול - ביצועים ניסיוניים יכולים רק לנבאדים, אך למנוע התקדמות יעילה, אך ורק כדי למנוע את ההשפעות של שיטות למידה יעילות וגמישות יעילה, אך לא יעילה, אך הן יכולות להיות יעילות, אך הן יכולות להיות יעילות, אך הן יכולות להיות יעילות, אך הן יכולות להיות יעילות, אך הן יעילותיות יעילות.

לקריאה נוספת על העקרונות שנדונו כאן, ראה:0סקירה זו של תרמודינמיקה תלויה בגודל במערכות חלקיקים ב-Nanoparticle LT:1 ו-FLT:2 סקירה זו של ננו-חומרי בהנדסת כימיקלים 3.10: A מדריך מעשי לדגם תרמודינמי של ננוקטליס זמין ב-F:4in מאמר זה על עיצוב חישובי של חלקיקים:5 זרז: