В работе разрабатывается автоматизированная информационная система расчета термодинамических свойств соединений при различных условиях внешней среды.
Термодинамические расчеты являются общепринятым и важным элементом многих химических исследований. Они лежат в основе разработки высокоэффективных технологий промышленного синтеза соединений, процессов переработки нефти и твердых топлив, выбора оптимальных путей использования сырьевых ресурсов. Термодинамическое исследование процессов, приводящих к загрязнению окружающей среды, занимает важное место при решении экологических проблем. Данные о термодинамических свойствах экотоксикантов позволяют проводить расчеты химических равновесий для различных технологических процессов и предсказывать способы предотвращения или уменьшения попадания токсичных веществ в окружающую среду. Все это делает необходимым накопление достоверной информации о термодинамических свойствах индивидуальных веществ и соединений. Авторы [10] также подчеркивают, что создание новых передовых технологий невозможно без точного знания таких основных характеристик, как свободная энергия Гиббса, энтальпия образования, теплоемкость, энтропия и др.
Термодинамические потенциалы (термодинамические функции) – характеристические функции в термодинамике, убыль которых в равновесных процессах, протекающих при постоянстве значений соответствующих независимых параметров, равна полезной внешней работе. Выделяют следующие термодинамические потенциалы: внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия Гельмгольца, потенциал Гиббса, большой термодинамический потенциал.
В настоящее время существует справочная литература, содержащая таблицы основных термодинамических свойств, как в бумажном виде [7, 8, 12], так и в электронном (базы данных) [1, 3-5]. Также существуют информационные системы расчета термодинамических функций [2, 9]. Недостатком существующих систем является отсутствие возможности рассчитывать свойства при различных температурах. Кроме того, предлагаемые расчеты выполняются по одной методике, поэтому нет возможности сравнивать результаты расчетов и выбирать наиболее подходящий алгоритм расчета. Значительные временные затраты на проведение расчетов, довольно скудный объем информации в базах данных по свойствам веществ при различных свойствах внешней среды также являются существенными недостатками существующих систем расчёта.
Целью работы является разработка информационной системы, автоматизирующей процесс расчета термодинамических функций, в результате которой будет достигнуто сокращение времени, издержек и трудозатрат в процессе выполнения расчетов.
Задачами работы, направленными на достижение поставленной цели являются:
- анализ методик расчета термодинамических функций;
- проектирование АИС расчета термодинамических функций;
- реализация АИС расчета термодинамических функций.
В настоящее время расчет термодинамических функций проводится в рамках лабораторных исследований, а также по функциям вручную.
В качестве основных показателей, определяющих качество эксперимента, можно выделить следующие:
- чистота исследуемых веществ;
- фазовое состояние исследуемых веществ;
- соблюдение условий проведения опыта;
- методические особенности измерений;
- возможные источники случайных (инструментальных) и систематических погрешностей.
Корректность обработки полученных экспериментальных данных обусловлена адекватностью методики описания данных опыта и их обработки реальным его условиям, единством и строгостью используемых методов обработки, наличием и обоснованностью оценок погрешностей результатов, взаимосогласованностью термодинамических характеристик [11].
Экспериментальные данные о термодинамических свойствах, полученные в ходе лабораторных исследований, имеются лишь для ограниченного числа соединений и поэтому необходимо развитие и совершенствование методов прогнозирования термодинамических свойств. До недавнего времени это развитие шло, главным образом, по пути разработки эмпирических подходов, из которых можно выделить большое количество основанных на классической теории строения молекул приближенных методов расчета термодинамических свойств через их аддитивные составляющие. Значения аддитивных вкладов, получаемых из экспериментальных данных, позволяют рассчитывать термодинамические свойства неисследованных соединений. Аддитивные методы давно успешно используются в термодинамике и хорошо зарекомендовали себя, однако отсутствие экспериментальных данных, необходимых для определения аддитивных вкладов, является главным препятствием широкого распространения этих методов.
Современный уровень развития вычислительной техники и разработка новых квантово-химических методов позволяют проводить теоретические расчеты термодинамических свойств газообразных веществ с точностью, сравнимой с погрешностями экспериментальных исследований и, таким образом, накапливать достоверные данные по термодинамическим свойствам разнообразных соединений.
В последние годы, благодаря развитию аппарата методов термодинамического моделирования и расчета, в физико-химических исследованиях появилась реальная возможность заменять отсутствующие экспериментальные данные результатами, полученными из надежных теоретических расчетов. Это открывает новые перспективы развития и применения аддитивных методов прогнозирования значений термодинамических свойств. Появляется возможность установления закономерностей, связывающих термодинамические свойства веществ (энтальпия образования, энтропия, теплоемкость) с их строением для широкого круга соединений, в случаях экстремальности значений параметров состояния, одновременного протекания ряда сложных взаимосвязанных физико-химических превращений и др., применение данного подхода становится особо ценным и позволяет надеяться на получение количественно достоверных результатов при изучении даже достаточно сложных по составу, свойствам и поведению систем. Таким образом, аддитивные методы, разработанные на основе установленных закономерностей, позволяют прогнозировать термодинамические свойства неисследованных соединений и служат расширению возможностей термодинамического моделирования разнообразных химических процессов [6].
Достоверность термодинамических свойств, полученных расчетным путем (самостоятельным или дополняющим экспериментальное изучение), может быть достигнута только при наличии достаточно адекватной и полноценной информации и зависит, в первую очередь, от того, насколько обосновано применение того или иного метода расчета, какова корректность самого метода, насколько достоверны значения его параметров (если таковые имеются), какова их погрешность.
В основу информационной системы заложены универсальные методы расчета 
, 
, 
, 
, 
: методы замены водорода на группы CH3 и групп на функциональные группы (метод Андерсена, Байера, Ватсона) и групповых вкладов (Бенсона), а также уравнения позволяющие рассчитывать термодинамические потенциалы углеводородов при произвольных температуре и числе C-атомов [7].
Принципиальное описание процесса в виде мнемосхемы изображено на рисунке 1. Она показывает, как проходит процесс расчета термодинамических функций на сегодняшний день.
Рисунок 1 – Мнемосхема бизнес – процесса «как есть»
Полученные учеными данные по термодинамическим функциям заносятся в хранилище данных. Эти показатели формируются путем исследований или расчета по методам. Затем данные, переданные учеными из хранилища в издательство, используются для создания справочников по термодинамическим функциям, которые затем применяются пользователями (например, работниками нефтеперерабатывающего завода) в своей деятельности.
Приведем следующую функциональную модель бизнес–процесса расчета термодинамических функций с помощью методологии IDEF0 (рисунок 2).
Рисунок 2 – Функциональная модель бизнес–процесса расчета термодинамических функций
Рисунок 3 – Декомпозиция блока «Расчет термодинамических функций»
Входящие документы: исходные данные (температура, название соединения, группа соединения).
Регламентирующие документы: существующая методика расчета.
Участники бизнес-процесса: ученые.
Выходящие документы: справочники, показатели.
Далее произведем декомпозицию блока – расчет термодинамических функций (рисунок 3)
Для создания автоматизированной информационной системы в качестве языка программирования был выбран Delphi. Форма расчёта термодинамических свойств представлена на рисунке 4. Разработанная программа имеет удобный интерфейс при работе с данными. База данных программы повышает качество и скорость работы с данными.
Рисунок 4 – Интерфейс программы расчета термодинамических свойств
В результате проведенной работы была разработана автоматизированная информационная система расчета термодинамических функций по различным методикам [7]. Программа выполнена в среде Delphi 7 и позволяет вести базу данных расчета термодинамических свойств при требуемых температурах по различным методикам.
Рецензенты:
Шапиро С.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой физики, Уфимский государственный университет экономики и сервиса, г. Уфа.
Бахтизин Р.З., д.ф.-м..н., профессор, зав. кафедрой физической электроники и нанофизики, Башкирский государственный университет, г. Уфа.