Python库cp-tools用于预测晶体物质热容和热力学性质的分析

=SoftwareX 9（2019）244原始软件出版物cp-tools：用于预测晶体物质热容的Python库蒂洛·齐纳特TU Bergakademie Freiberg，材料科学研究所，Gustav-Zeuner-Str. 5，09599 Freiberg，德国ar t i cl e i nf o文章历史记录：2018年8月24日收到2019年2月5日收到修订版，2019年保留字：CALPHAD热容量热力学建模a b st ra ct介绍了一个Python库，称为cp-tools，可用于基于德拜温度，德拜温度下的热膨胀系数，以及零开尔文性质体积和体积模量。可以评估热膨胀、体积、体积模量和热容的温度依赖性，以获得物质的可靠此外，还提供了几个脚本，用于从实验数据中获取和评估输入参数。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SOFTX_2018_149法律代码许可证GPL使用svn的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境&依赖性Python>3 .第三章。19，SciPy，Colombia，Medellin如果可用，链接到开发人员文档/手册http://svn.savannah.gnu.org/viewvc/cp-prediction/tags/1.0/doc/doc-cp-tools.pdf问题支持电子邮件tilo. licoo.de1. 动机和意义材料由一个或多个相组成，其中相通常是具有均匀性质的空间区域。通常，相通常是具有均匀物质状态和结构的区域，但不一定具有均匀的化学组成（溶液相）。相的稳定性，例如在温度、压力和组成的空间中，可以使用相图来通过使用化学热力学，相图可以基于系统中每个相的分析吉布斯能量描述来计算。评估方法-将吉布斯能量描述用于化学系统并将其用于热力学计算被称为CALPHAD方法[1，2]，这是CALCulation of PHASE Diagrams的首字母缩写。联系人：TU Bergakademie Freiberg，Institute of Ceramic，Glass andConstruction Materials，Agricolastr. 17，09599 Freiberg，Germany.电子邮件地址：tilo. licoo.de，tilo. ikgb.tu-freiberg.de。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.02.002在CALPHAD型评估中，相图、热力学和热化学数据用于获得最佳再现实验结果的系统的热力学描述。在恒定压力下的热容量CP是允许焓和熵的温度外推的每个相的热力学描述的中心部分。如果没有关于热容的实验数据，则必须估计其解析描述。通常，所谓的Neumann-Kopp的热容量由具有相应化学计量数i和j的元素A和B组成的化合物Ai Bj通过下式计算：cp（Ai Bj）=i·cp（A）+j·cp（B）。（一）为了获得高阶系统的一致热力学描述，由欧洲热力学科学组（SGTE）[3]出版的元素的热力学描述（一元描述）用于然而，通过使用这些一元描述的热容带来了几个问题[4]与估计的cp函数的物理意义有关。 举例来说，可检测以下的解链信号：2352-7110/©2019作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx=T. Zienert/SoftwareX 9（2019）244-247245这些元素也包括在热容函数中，相关化合物。此外，液体元件的许多热容随温度而恒定它们对Neumann-Kopp估算热容的贡献结论是：热容量的解析描述化合物不应依赖于其组成元素的分析热容描述。为了解决估算晶体物质的物理正确热容的问题，开发了一种算法，该算法基于容易获得的零开尔文性质计算cp[5]。该方法基于德拜理论[6]， 使用几个热力学和热物理关系[7在这里，将该算法实现为Python该库可以用来计算热物性的变化趋势，热容cp，体积模量B、热膨胀系数αV和体积V。可以计算物理上可靠的热容函数，其不受化合物的应当注意，对于在0 K和2000 K之间的温度范围的几分钟在一个正常的（3.6 GHz）桌面CPU，这是非常快的从头算方法相比，例如DFT计算。因此，该软件可用作CALPHAD类型评估的日常工具。该软件已用于估计Fe 5Al8相的热容，以评估它缩小了基于适当的分析表达式[11提供的软件（Python库和帮助脚本）可以如下使用首先，必须设置一个提供必要输入变量的配置文件接下来，所提供的脚本将计算所定义物质的热物理性质（具有可选的并行计算支持），并将结果保存到文件中。然后，这些计算出的数据点可进一步用作CALPHAD类型评估的输入数据。然而，用户可以在自己的程序中调用所提供的函数，因为算法被实现为Python类，这些类在源代码中被广泛注释。该软件使用NumPy [14]和SciPy [15]软件包提供的数值算法。2. 软件描述所提出的软件分为三个部分。1. 主要算法[5]在class_debye中实现，读取数据/配置文件的主要功能和一 些数值助手函数分别 在class_math_helper 和class_math_helper2. 在examples文件夹中，可以找到脚本cp-calc-auto.py，该脚本可用于根据提供的配置文件启动cp3. 除了这些核心功能外，还提供了scripts文件夹中的几个帮助脚本，用于分析和计算相位的特定属性。例如，它可能-德拜温度可以从实验热容或热膨胀数据，或从弹性常数来估算。所有脚本的用法在文档中有广泛的解释，并提供了用于测试目的的示例文件。它旨在从命令行启动脚本，因为从标准输入读取必要的参数。2.1. 软件构架如前所述，核心功能在Python类中提供。它们可以由提供的脚本使用，也可以直接在自己的程序中使用。该架构及其预期用途的图形概述如图所示。1 .一、2.2. 软件功能该软件的主要功能是计算晶体物质热容中与声子相关的部分必要的输入参数是德拜温度、德拜温度下的热膨胀系数、体积模量和体积。德拜温度可以是量热温度，由弹性常数估算，也可以用[5]中描述的比能关系计算。德拜温度下的热膨胀系数可以从实验中提供，也可以从熔化温度关系中估计（也参见[5]）。在下面的部分中，将通过提供的cp-calc-auto.py脚本的示例来解释软件的使用。3. 说明性实例脚本cp-calc-auto.py通过调用Python库的cp-predicting例程计算主配置文件中给出的软件附带了一个示例这些参数必须按以下顺序以制表符分隔的值给出：名称、V0（单位：cm3/mol）、B0（单位：GPa）、m（单位：GPa/K）、Θfit（单位：K）、Θcalc（单位：K）、Es（单位：kJ/g）、αD（单位：1 e6/K）和Tm（单位：K），其中Θfit是量热德拜温度，Θcalc是基于弹性常数计算的德拜温度，Es是比能，αD是TΘD时的体积热膨胀系数，Tm是熔融温度（详见[5]）。该脚本通过$ python examples/cp-calc.auto.py从命令行调用。对于每种物质，计算结果保存在可用于进一步处理的文件中的定义目录中。金（Au）的体积模量、体积和热容量cp的结果示于图1中。2与实验数据比较。在较宽的温度范围内，计算值与实验值符合得很好，表明该算法适用于对热容的贡献主要与声子振动有关的物质。4. 影响利用该软件，不仅可以计算与声子有关的cp，而且可以计算物质的热物理性质。在后一种情况下，上述的输入参数的cp预测算法将细化从实验数据的热容，热膨胀，体积和体积模量使用最小二乘法。通过这种方式，建立了一个类似于CALPHAD的方法来评估热力学和热物理性质，这可以帮助评估实验数据的热力学评估。该软件（cp-tools）能够克服用Neumann-Kopp规则估算热容所引起的问题，Neumann-Kopp规则是CALPHAD社区中除从头算方法外246T. Zienert / SoftwareX 9（2019）244-247图1.一、c p - t o o l s 1.0的软件架构方案及其预期用途。图二. 使用所提供的软件计算出的金的（a）体积模量、（b）体积和（c）热容值与Wern（2004）[16]、Furukawa等人报告的实验数据进行了比较。（1968）[17]和Furukawa et al.（1972）[18]。T. Zienert/SoftwareX 9（2019）244-247247本文首次介绍了c-p-预测算法的实现，迄今为止，该软件仅在弗赖贝格工业大学热力学研究组内使用。然而，希望该软件将有助于进一步的CALPHAD类型评估和评价物质的热物理性质。5. 结论本文介绍了cp-预测算法[5]的Python实现，该算法在其他地方进行了描述。它既可以在程序中直接调用，也可以通过软件包的脚 本 使 用 ， 计 算 和 评 价 晶 体 物 质 的 热 物 理 性 质 。 该 软 件https://www.nongnu.org/cp-prediction/确认本研究由德国研究基金会（DFG）在合作研究中心SFB 920内的子项目A03的框架内提供财政支持。引用[1]考夫曼湖前言。CALPHAD 1977;1（1）：1-6. http://dx.doi.org/10.1016/0364-5916（77）90017-7.[2]Lukas H ， Fries S， Sundman B. 计 算 热 力 学 -Calphad 方 法 剑 桥 大 学 出 版社;2007.[3]丁斯代尔A纯元素的SGTE数据。CALPHAD 1991;15（4）：317-425. http：//dx.doi.org/10.1016/0364-5916（91）90030-N。[4] Jacobs MH，Schmid-Fetzer R. 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