كالفاد

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

يرمز CALPHAD إلى حساب مخططات الأطوار ، وهي منهجية طُوِّرت عام 1970 على يد لاري كوفمان. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] عادةً ما يكون مخطط الطور المتوازن عبارة عن رسم بياني بمحورين: درجة الحرارة وتركيب النظام الكيميائي. يُظهر هذا المخطط المناطق التي تكون فيها المواد أو المحاليل (أي الأطوار) مستقرة، والمناطق التي تتعايش فيها مادتان أو أكثر منها. تُعد مخططات الأطوار أداة فعّالة للغاية للتنبؤ بحالة النظام في ظل ظروف مختلفة، وكانت في البداية طريقة بيانية لتفسير المعلومات التجريبية حول حالات التوازن. في الأنظمة المعقدة، تُستخدم طرق حسابية مثل CALPHAD لنمذجة الخصائص الديناميكية الحرارية لكل طور ومحاكاة سلوك الأطوار متعددة المكونات. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] يعتمد منهج CALPHAD على حقيقة أن مخطط الطور هو تجسيد للخصائص الديناميكية الحرارية المتوازنة للنظام، والتي تُمثل مجموع خصائص الأطوار الفردية. [ 7 ] وبالتالي من الممكن حساب مخطط الطور عن طريق تقييم الخصائص الديناميكية الحرارية لجميع الأطوار في النظام أولاً.

المنهجية

باستخدام طريقة CALPHAD، يتم جمع جميع المعلومات التجريبية المتعلقة بتوازن الأطوار في النظام، بالإضافة إلى جميع المعلومات الديناميكية الحرارية المستقاة من الدراسات الكيميائية الحرارية والفيزيائية الحرارية. [ 2 ] ثم تُوصف الخصائص الديناميكية الحرارية لكل طور بنموذج رياضي يحتوي على معلمات قابلة للتعديل. تُقيّم هذه المعلمات من خلال تحسين مطابقة النموذج لجميع المعلومات، بما في ذلك الأطوار المتواجدة معًا. وبذلك، يُمكن إعادة حساب مخطط الأطوار، بالإضافة إلى الخصائص الديناميكية الحرارية لجميع الأطوار. تقوم فلسفة طريقة CALPHAD على الحصول على وصف متسق لمخطط الأطوار والخصائص الديناميكية الحرارية، وذلك للتنبؤ بدقة بمجموعة الأطوار المستقرة وخصائصها الديناميكية الحرارية في المناطق التي تفتقر إلى معلومات تجريبية، وللحالات شبه المستقرة أثناء محاكاة تحولات الأطوار .

النمذجة الديناميكية الحرارية لطور ما

هناك عاملان حاسمان لنجاح طريقة CALPHAD. العامل الأول هو إيجاد نماذج رياضية واقعية ومناسبة لطاقة جيبس ​​لكل طور. تُستخدم طاقة جيبس ​​لأن معظم البيانات التجريبية تُحدد عند درجة حرارة وضغط معروفين، ويمكن حساب أي كميات ديناميكية حرارية أخرى منها. لا يمكن الحصول على وصف دقيق لسلوك طاقة جيبس ​​لنظام متعدد المكونات باستخدام تعابير تحليلية. لذا، من الضروري تحديد السمات الرئيسية وبناء النماذج الرياضية عليها. يُعبَّر عن التباين بين النموذج والواقع في النهاية بتوسيع متسلسلة قوى في درجة الحرارة والضغط وتركيب الطور. تُحسَّن المعلمات القابلة للتعديل في هذه النماذج لمحاكاة البيانات التجريبية. تكمن قوة طريقة CALPHAD في إمكانية دمج أوصاف الأنظمة الفرعية المكونة لوصف نظام متعدد المكونات.

حسابات التوازن

العامل الحاسم الثاني هو توفر برامج الحاسوب لحساب التوازنات، بالإضافة إلى أنواع مختلفة من المخططات وقواعد البيانات التي تحتوي على المعلومات المُخزنة. ونظرًا لوجود العديد من النماذج المستخدمة حاليًا لأنواع مختلفة من الأطوار، تتوفر العديد من قواعد البيانات الديناميكية الحرارية، سواء المجانية أو التجارية، لمواد مختلفة مثل الفولاذ، والسبائك الفائقة، ومواد أشباه الموصلات ، والمحاليل المائية ، والخبث ، وغيرها. كما تتوفر أنواع مختلفة من البرامج التي تستخدم خوارزميات متنوعة لحساب التوازن. ومن المزايا المهمة أن يسمح البرنامج بحساب التوازن باستخدام ظروف مختلفة للنظام، وليس فقط درجة الحرارة والضغط والتركيب الكلي، لأنه في كثير من الحالات يمكن تحديد التوازن عند حجم ثابت أو عند جهد كيميائي معين لعنصر ما أو عند تركيب معين لطور معين.

التطبيقات

بدأ برنامج CALPHAD بدايةً بطيئة في الستينيات، لكن أنظمة قواعد البيانات الديناميكية الحرارية المتطورة بدأت بالظهور في الثمانينيات، واليوم يوجد العديد من المنتجات التجارية في السوق، مثل FactSage وMTDATA وPANDAT وMatCalc وJMatPro وThermo-Calc، بالإضافة إلى برامج مفتوحة المصدر مثل OpenCalphad و PyCalphad و ESPEI . تُستخدم هذه البرامج في البحث والتطوير الصناعي (مثل برنامج PrecipiCalc وتقنية Materials by Design )، حيث توفر كميات كبيرة من الوقت والموارد من خلال تقليل العمل التجريبي وإتاحة التنبؤات الديناميكية الحرارية للأنظمة متعددة المكونات، والتي يصعب الحصول عليها عمليًا بدون هذا النهج. توجد مجلة تحمل هذا الاسم تُنشر فيها الإنجازات العلمية الحديثة، كما تُنشر أوراق علمية تصف استخدام طرق CALPHAD في العديد من المجلات الأخرى.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ كوفمان، ل.؛ بيرنشتاين، هـ. (1970). الحساب الحاسوبي لمخططات الأطوار . دار النشر الأكاديمية، نيويورك. رقم ISBN 0-12-402050-X.
  2. 1 2 فابريشنايا أولغا ب.؛ ساكسينا سوريندرا ك.؛ ريشيه باسكال؛ ويستروم إدغار ف. الابن (2004). البيانات الديناميكية الحرارية والنماذج ومخططات الأطوار في أنظمة الأكاسيد متعددة المكونات: تقييم لعلماء المواد والكواكب بناءً على بيانات قياس السعرات الحرارية والحجمية وتوازن الأطوار . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. ISBN 978-3-662-10504-7. OCLC 851391370 . 
  3. ↑ كاتنر، أورسولا ر. (2016). " طريقة كالفاد ودورها في تطوير المواد والعمليات" . تكنولوجيا المعادن والمواد والتعدين . 13 (1): 3-15 . doi : 10.4322/2176-1523.1059 . PMC 4912057. PMID 27330879 .  
  4. ↑ لوكاس إتش إل؛ فرايز سوزانا جي؛ سوندمن بو (2007). الديناميكا الحرارية الحاسوبية: طريقة كالفاد . كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-86811-2. OCLC 663969016 . 
  5. ^ سوندرز ن. ميودونيك ب. (1998). كان آر دبليو (محرر). كالفاد . سلسلة مواد بيرغامون، المجلد الأول. ISBN 0-08-042129-6.
  6. ↑ واي. أوستن تشانغ (2004). "حساب مخطط الطور: الماضي والحاضر والمستقبل". التقدم في علوم المواد . 49 (3): 313-345 . doi : 10.1016/S0079-6425(03)00025-2 .
  7. ↑ زي-كوي ليو؛ وانغ يي (2016). الديناميكا الحرارية الحاسوبية للمواد . كامبريدج. ISBN 978-0-521-19896-7. OCLC 960196125 . {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  8. ↑ سوندمن بو (2021). "خوارزميات مفيدة لحساب توازنات المكونات المتعددة، ومخططات الأطوار، وأنواع أخرى من المخططات". كالفاد . 75 102330. doi : 10.1016/j.calphad.2021.102330 .