双组分溶液中关于Soret系数的分子动力学模拟

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温度梯度引起的浓度变化,称为Soret效应,近几十年来,国内外学者对Soret效应的研究主要集中在烷类、苯类等非缔合流体上,他们用实验或模拟的手段对这类流体进行了分析,并取得了一定的成果。但是,对于像水、醇、羧酸等具有明显的氢键作用和供体-受体簇的缔合流体,由于它们在水中的溶解和扩散方式非常复杂,想要获取Soret系数,需要更为精密的实验仪器和更为精确的模拟模型,因此,关于这些缔合流体的研究是很少的。本课题就尝试着利用分子动力学模拟的方法来研究缔合流体的Soret效应。选择了不同摩尔质量分数的乙醇和水的混合溶液作为模拟对象,并在三种不同力场下(TraPPE-UA力场、OPLS-UA力场、OPLS-AA力场),分别模拟它们的传质过程,首先通过自扩散系数的研究,验证模型和力场数据的准确性,然后开始模拟计算Soret系数,并将所有的模拟结果与实验数据和其他模拟结果进行对比。在自扩散系数的模拟过程中,采用了三种不同浓度的乙醇模型(乙醇浓度为0.2 mol、0.5 mol和0.8 mol),模拟的结果显示,三个力场下得到的自扩散系数值与其他模拟数据相比,都相差不大。但是OPLS-AA力场下模拟所得的扩散系数,与TraPPE-UA力场和OPLS-UA力场的模拟结果相比,其数值与实验符合的比较好,TraPPE-UA力场和OPLS-UA 力场的模拟数据与实验值相比,虽能在定性上描述整个趋势,但数值普遍偏高。所以,综合来看,OPLS-AA力场下的模拟结果最好,TraPPE-UA力场次之,OPLS-UA力场最差。依据自扩散系数的模拟结果,我们选取了 OPLS-AA和TraPPE-UA力场来进行Soret系数的模拟,仍然采用了三种不同摩尔浓度的乙醇模型(乙醇浓度为0.1 mol、0.2 mol和0.3 mol)。就Soret系数的模拟结果而言,TraPPE-UA力场和OPLS-AA力场的数据相差不大,和实验值以及其他模拟值都契合得不错。两个力场下的模拟数据都显示了乙醇水溶液在0.1 mol时,Soret系数的值为正值,而在0.2 mol或0.3 mol时,Soret系数的值为负值,这表明了,在0.1 mol状态下,乙醇分子朝着温度低的地方聚集,而在0.2mol或0.3 mol的状态下,乙醇分子朝着温度高的地方聚集。
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