资源描述：
《温度对水的粘度和扩散系数影响的研究_娄彦敏.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、DOI:10.13718/j.cnki.xsxb.2009.06.009第34卷第6期西南师范大学学报(自然科学版)2009年12月Vol.34No.6JournalofSouthwestChinaNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Dec.2009文章编号:1000-5471(2009)06-0034-06＊温度对水的粘度和扩散系数影响的研究1111,2娄彦敏,刘娟红,周晓平,刘锦超1.四川大学原子与分子物理研究所,成都610065;2.四川光和能源技术开发有限公司,成都610065摘要
2、:采用分子动力学方法(MD)研究了水在不同温度下的内能、粘度、扩散系数及径向分布函数.研究结果表明,随着温度的升高,内能增加,粘度系数减小,扩散系数增大,且粘度系数和扩散系数符合Arrhenius行为.从径向分布函数的分析可知,温度升高,加剧了水分子的运动和碰撞,改变了水的微观结构,使内能增加,从而改变了水的粘度系数和扩散系数.关键词:分子动力学;内能;粘度系数;扩散系数;径向分布函数中图分类号:O645.16文献标识码:A粘度系数是物质一种重要的输运系数,不仅在化工中得到广泛应用,而且对液体结构和溶液理论的研究起着不可忽视的作用
3、,与溶液的热力学性质存在着内在的联系.扩散系数也是物质一种很重要的输运系数.实验上测定粘度系数和扩散系数有一定的局限性,即使有相关的实验数据,也是在一定可测量条件下得到,所得数据受到一定限制.随着计算机技术的迅速发展,计算机模拟可以将分子的微观结构与物质的宏观性质联系起来,用它能得到比较可靠的径向分布函数、热力学性质和输运性质,为实验和理论研究提供一些系统的数据.[1-5]近年来国内外对水的研究备受关注,而且水由于氢键的存在,使水表现一些反常的性质,对氢键[6][7]的研究有着广阔的前景和重要的应用价值.但是关于水的粘度研究工作报
4、道较少,SmithPE等采用Stokes-Enistein关系和Green-Kubo关系通过求解扩散系数来求解温度在277K和300K时水的粘度;Sun[8]YL等也采用Stokes-Enistein关系和Green-Kubo关系通过求解扩散系数来求解不同势模型下水的粘度.本文应用分子动力学方法,粘度求解采用Eyring模型,研究了水在温度为273K～373K范围内的粘度系数、扩散系数及结构性质.1势能模型[9]在具体的模拟中,一个重要的步骤是选择一种能够很好描述系统特征的势能函数.对于水分子,其[10]势能模型既可以从量子力学从
5、头算获得,如MCY模型,又可由半经验方法关联获得,如SPC,SPCE,[11-13]TIP3P,TIP4P和TIP5P等.SPCE模型为扩展简单点电荷模型,并且对于输运性质的计算SPCE更[7-8]接近实验值.因此本文采用半经验的SPCE刚体势能模型,分子间的相互作用势函数表达形式为＊收稿日期:2009-01-04基金项目:国家科技支撑项目(2007ABAD50B00).作者简介:娄彦敏(1981-),女,河南新乡人,硕士研究生,主要从事原子分子团簇方面的研究.通讯作者:刘锦超,教授.第6期娄彦敏,等:温度对水的粘度和扩散系数影响
6、的研究35126qAqBσσUij(rij)=∑∑+4εr-(1)A∈iB∈jrABOOrOO式中:前半部分为长程静电相互作用,后半部分为短程Lennard-Jones作用;Uij(rij)为分子对作用势能,A,B分别表示为A,B原子对i,j做循环;qA为A原子所带电荷,qB为B原子所带电荷;rAB为原子间距离,rOO为两个分子的氧原子间作用距离;σ,ε为氧原子Lennard-Jones作用参数;rOH为O-H键键长,θHOH为H-O-H键角.其具体参数见表1.表1水的SPCE模型势能参数r-1OH/nmθHOH/°ε·KB/Kσ
7、/nmqO/eqH/e0.10000109.4778.200.31656-0.84760.4238注:e=1.602×10-19C模拟中由于势能的截断,能量会在边界处发生不连续,将导致Hamiltonian不守恒.为了解决这个问[14]题,本文采用移位的势能函数,其形式如下Uij(rij)-Uij(rC)rij≤rCSUij(rij)=(2)0rij>rCS其中:Uij(rij)为上移的位能,rC为势能的截断距离.2模拟细节本文模拟水分子的总数为256个,模拟系综为正则系综(NVT),模拟温度分别为273,283,293,313,
8、53333,353,373K,压强为1.013×10Pa,水的起始密度取为1.0g/cm.模拟过程中对温度的控制采用[15]Nose-Hoover热浴法.对于均匀相的液体系统的初始位置通常定为其晶体的结构.若有实验的X-光衍射[16]结构则以其为起
