Могу ли я определить фазу (твердую, жидкую, газообразную) только по снимку положения молекул?

Предположим, у меня есть симуляция группы молекул азота (N_2). Просто взглянув на положение группы молекул в пространстве, как я могу определить, что изображено на картинке: твердое тело, жидкость или газ?

На каком расстоянии они должны быть друг от друга, чтобы я сделал вывод, что это газ, а не жидкость? Насколько близко они должны быть друг к другу, прежде чем я сделаю вывод, что это твердое тело?

Мотивация: я хотел бы проводить симуляции различной сложности для получения таких величин, как точка замерзания и точка кипения при различных давлениях. Для субрегионов, например вокселей, я хочу иметь возможность задать вопрос: Это твердое тело, жидкость или газ?

Качественные ли это различия или количественные?

Если вы видите группу молекул азота (ваш пример), то вы сможете сказать, находятся ли они в твердом, жидком или газообразном состоянии. Если они твердые, то ориентация молекул должна иметь правильную структуру, поскольку они находятся в кристаллической решетке. Если жидкость, то такой регулярной структуры не существует. Если газ, то же, что и жидкость, но молекулы определенно дальше друг от друга.
Как превратить эти качественные утверждения в количественные (алгоритмические)? Я могу придумать несколько способов обнаружения решеток, так что, скажем, твердое тело или жидкость решены. Но если разница между жидкостью и газом заключается только в интервале, то как мне получить пороговый интервал для порога моего решения о жидкости или газе? Нужно ли вместо этого смотреть на средний свободный путь между «столкновениями»?
Когда я давал свой комментарий выше, я особенно упомянул ваш пример азота, потому что я мог просмотреть несколько фактов, прежде чем ответить. Но, вообще говоря, для какого-то неуказанного вещества было бы сложно придумать какой-то алгоритмический подход, потому что в некоторых из этих мер очень разные вещи и не всегда существует кристаллическая структура.

Ответы (2)

В газе расстояние между молекулами явно больше. Но между аморфным твердым телом и жидкостью порядок и расстояния эквивалентны (хуже того: помните, что лед менее плотен, чем жидкая вода), так что вы не сможете сказать. Для кристаллического твердого тела порядок будет легче обнаружить, но полярные жидкости также имеют некоторый ближний порядок.

Конечно, очень близко к переходу (или, что еще хуже, к тройной точке), вы не сможете определить фазу только по позициям. Заметим также, что фаза не ограничивается твердой/жидкой/фазой: помимо экстремальных состояний существуют также различные перестройки кристаллов в зависимости от температуры и давления.

Идентифицировать твердую фазу проще всего. вы увидите кристалл, организованную структуру с шестью соседями для каждой частицы. (теорема Мермина – Вагнера здесь не применима, потому что взаимодействие имеет достаточно большой диапазон. Моделирование и снимки твердой фазы см. В этой статье ). вот как выглядит твердая фаза:

введите описание изображения здесь

будет гексатическая фаза (жидкокристаллическая, снэпшоты не могу найти).

Трудная часть - различить жидкость и газ. вы должны заметить, что при достаточно высокой температуре нет различия между газом и жидкостью (выше критической точки), поэтому, если вы просто посмотрите на расстояние между частицами, вы не сможете сказать, что такое жидкость, а что газ.

Если вы посмотрите на температуру ниже критической температуры, то в зависимости от прилагаемого давления вы можете увидеть газ, жидкость или капли жидкости внутри газа. когда я говорю о каплях жидкости в газе, я имею в виду, что у вас будут скопления частиц и несколько свободных частиц, движущихся между ними — см. рисунок в области жидкого газа.

введите описание изображения здесь

если вы находитесь выше критической температуры, нет различия между газом и жидкостью, мы называем это жидкостью (см. однофазную область на рисунке).

Если вы хотите различать газ\жидкость\флюид - есть способ:

что вы можете сделать, это посмотреть на распределение плотности. разделите снимок вашей симуляции на прямоугольники (вам нужно будет поиграть с размерами, в зависимости от количества частиц и плотности), как на этой картинке:

введите описание изображения здесь

спросите, какова плотность в каждом ящике, и поместите результаты в гистограмму. сделайте это для всех шагов в вашей симуляции и усредните результаты. см. эту статью для более подробной информации.

если у вас есть жидкость, смешанная с газом, вы увидите две плотности:

введите описание изображения здесь

по мере увеличения температуры две плотности будут сближаться, пока не станут одной. это означает, что вы преодолели критическую температуру и теперь находитесь выше критической температуры.

еще одно замечание: для определения точки замерзания и точки испарения могут потребоваться разные методы моделирования. по мере приближения к критической точке вам потребуется гораздо больше шагов, чтобы уравновесить симуляцию, поэтому вы, вероятно, захотите использовать ансамбль Гиббса, чтобы избежать этого.

Могу ли я определить фазу (твердую, жидкую, газообразную) только по снимку положения молекул?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v