CALPHAD - CALPHAD

CALPHAD son las siglas de CALculation of PHAse Diagrams , una metodología introducida en 1970 por Larry Kaufman. Un diagrama de fase de equilibrio suele ser un diagrama con ejes de temperatura y composición de un sistema químico. Muestra las regiones donde las sustancias o soluciones (es decir, las fases) son estables y las regiones donde coexisten dos o más de ellas. Los diagramas de fase son una herramienta muy poderosa para predecir el estado de un sistema en diferentes condiciones y fueron inicialmente un método gráfico para racionalizar la información experimental sobre los estados de equilibrio. En sistemas complejos, se emplean métodos computacionales como CALPHAD para modelar las propiedades termodinámicas de cada fase y simular el comportamiento de fases multicomponente. El enfoque CALPHAD se basa en el hecho de que un diagrama de fases es una manifestación de las propiedades termodinámicas de equilibrio del sistema, que son la suma de las propiedades de las fases individuales. Por tanto, es posible calcular un diagrama de fases evaluando primero las propiedades termodinámicas de todas las fases de un sistema.

Metodología

Con el método CALPHAD se recopila toda la información experimental sobre los equilibrios de fase en un sistema y toda la información termodinámica obtenida de estudios termoquímicos y termofísicos. A continuación, se describen las propiedades termodinámicas de cada fase con un modelo matemático que contiene parámetros ajustables. Los parámetros se evalúan optimizando el ajuste del modelo a toda la información, involucrando también fases coexistentes. Entonces es posible volver a calcular el diagrama de fases, así como las propiedades termodinámicas de todas las fases. La filosofía del método CALPHAD es obtener una descripción consistente del diagrama de fase y las propiedades termodinámicas para predecir de manera confiable el conjunto de fases estables y sus propiedades termodinámicas en regiones sin información experimental y para estados metaestables durante simulaciones de transformaciones de fase .

Modelado termodinámico de una fase

Hay dos factores cruciales para el éxito del método CALPHAD. El primer factor es encontrar modelos matemáticos realistas y convenientes para la energía de Gibbs para cada fase. Se utiliza la energía de Gibbs porque la mayoría de los datos experimentales se han determinado a temperatura y presión conocidas y se pueden calcular otras cantidades termodinámicas a partir de ella. No es posible obtener una descripción exacta del comportamiento de la energía de Gibbs de un sistema multicomponente con expresiones analíticas. Por tanto, es necesario identificar las características principales y basar los modelos matemáticos en ellas. La discrepancia entre modelo y realidad está finalmente representada por una expansión en serie de potencias en temperatura, presión y constitución de la fase. Los parámetros ajustables de estas descripciones de modelos se refinan para reproducir los datos experimentales. El punto fuerte del método CALPHAD es que las descripciones de los subsistemas constituyentes se pueden combinar para describir un sistema multicomponente.

Cálculos de equilibrio

El segundo factor crucial es la disponibilidad de software de computadora para calcular equilibrios y varios tipos de diagramas y bases de datos con la información evaluada almacenada. Como en la actualidad existen muchos tipos diferentes de modelos utilizados para diferentes tipos de fases, existen varias bases de datos termodinámicas disponibles, ya sea gratis o comercialmente, para diferentes materiales como aceros, superaleaciones, materiales semiconductores , soluciones acuosas , escorias , etc. también hay varios tipos diferentes de software disponibles que utilizan diferentes tipos de algoritmos para calcular el equilibrio. Es una ventaja si el software permite calcular el equilibrio utilizando muchos tipos diferentes de condiciones para el sistema, no solo la temperatura, la presión y la composición general porque en muchos casos el equilibrio puede determinarse a volumen constante o a un potencial químico dado. de un elemento o una composición dada de una fase particular.

Aplicaciones

CALPHAD tuvo un comienzo lento en los años 60, pero los sofisticados sistemas de banco de datos termodinámicos comenzaron a aparecer en los años 80 y hoy en día existen varios productos comerciales en el mercado, por ejemplo, FactSage, MTDATA, PANDAT, MatCalc, JMatPro y Thermo-Calc, así como open -códigos de fuentes como OpenCalphad, PyCalphad y ESPEI (consulte "Enlaces externos" a continuación). Se utilizan en investigación y desarrollo industrial (por ejemplo, el software PrecipiCalc de QuesTek Innovations y Materials by Design Technology), donde ahorran grandes cantidades de tiempo y recursos al reducir el trabajo experimental y al hacer disponibles predicciones termodinámicas para sistemas de componentes múltiples que ser prácticamente inalcanzable sin este enfoque. Hay una revista con este nombre donde se publican los logros científicos recientes, pero los artículos científicos que describen el uso de los métodos CALPHAD también se publican en muchas otras revistas.

Ver también

Referencias

enlaces externos