Modelling of equilibrium and non-equilibrium systems by Gibbs energy minimisation

Abstract

Työssä tutkittiin laskennallisia menetelmiä Gibbsin energian minimointiin perustuvien ohjelmien käyttöalueen laajentamiseen kemiallisten systeemien simuloinnissa.

Kineettiset rajoitukset systeemin tilan kehityksessä voidaan ottaa huomioon käyttämällä alkuaineiden säilymislakien kanssa analogisia rajoituksia. Näin lasketut rajoitetut tilat vastaavat lopullisia osittaisia tasapainotiloja systeemeissä, joissa osa termodynamiikan sallimista reaktioista ei kineettisistä syistä etene. Käyttämällä erillistä algoritmia kineettisesti rajoitettujen reaktioiden etenemisasteiden ratkaisemiseen voidaan menetelmää käyttää myös kemiallisten systeemien aikakehityksen mallintamiseen.

Tasapaino- tai osatasapainosysteemien, joiden lämpötila, paine tai alkuperäinen koostumus eivät ole eksplisiittisesti määrättyjä vaan riippuvat muista tasapainotilalle asetetuista ehdoista, ratkaisemiseen voidaan käyttää iteratiivisia menetelmiä, jotka perustuvat Newton-Raphsonin algoritmiin ja systeemin koostumuksen ja tilansuureiden derivaattojen arvoihin. Nämä derivaatattojen arvot voidaan laskea systeemin koostumuksen, tilansuureiden ja tasapinoehtojen perusteella ja niitä voidaan käyttää myös laskettaessa kineettisesti rajoitettujen reaktioiden etenemisasteiden muutoksia ja etäisyyttä tasapainotiloista.

Edellä kuvatut laskennalliset menetelmät on toteutettu laajennuksena VTT:n termodynaamiseen mallinnukseen kehittämään ChemSheet[R]-ohjelmaan ja niitä on sovellettu kaasu- ja monifaasisysteemien mallinnukseen.