温度对水的粘度和扩散系数影响的研究_娄彦敏

第34卷 第6期西南师范大学学报(自然科学版)2009年12月Dec

2009

Vol 34 No 6 JournalofSouthwestChinaNormalUniversity(NaturalScienceEdition)

文章编号:1000-5471(2009)06-0034-06

温度对水的粘度和扩散系数影响的研究

娄彦敏, 刘娟红, 周晓平, 刘锦超

1

1

1

1,2

1 四川大学原子与分子物理研究所,成都610065;2 四川光和能源技术开发有限公司,成都610065

摘要:采用分子动力学方法(MD)研究了水在不同温度下的内能、粘度、扩散系数及径向分布函数.研究结果表明,随着温度的升高,内能增加,粘度系数减小,扩散系数增大,且粘度系数和扩散系数符合Arrhenius行为.从径向分布函数的分析可知,温度升高,加剧了水分子的运动和碰撞,改变了水的微观结构,使内能增加,从而改变了水的粘度系数和扩散系数.

关 键 词:分子动力学;内能;粘度系数;扩散系数;径向分布函数中图分类号:O645 16

文献标识码:A

粘度系数是物质一种重要的输运系数,不仅在化工中得到广泛应用,而且对液体结构和溶液理论的研究起着不可忽视的作用,与溶液的热力学性质存在着内在的联系.扩散系数也是物质一种很重要的输运系数.实验上测定粘度系数和扩散系数有一定的局限性,即使有相关的实验数据,也是在一定可测量条件下得到,所得数据受到一定限制.随着计算机技术的迅速发展,计算机模拟可以将分子的微观结构与物质的宏观性质联系起来,用它能得到比较可靠的径向分布函数、热力学性质和输运性质,为实验和理论研究提供一些系统的数据.

近年来国内外对水的研究备受关注

[1-5]

[6]

,而且水由于氢键的存在,使水表现一些反常的性质,对氢键.但是关于水的粘度研究工作报道较少,SmithPE等

[7]

的研究有着广阔的前景和重要的应用价值采用

Stokes Enistein关系和Green Kubo关系通过求解扩散系数来求解温度在277K和300K时水的粘度;SunYL等[8]也采用Stokes Enistein关系和Green Kubo关系通过求解扩散系数来求解不同势模型下水的粘度.本文应用分子动力学方法,粘度求解采用Eyring模型,研究了水在温度为273K~373K范围内的粘度系数、扩散系数及结构性质.

1 势能模型

在具体的模拟中,一个重要的步骤是选择一种能够很好描述系统特征的势能函数

[9]

.对于水分子,其

势能模型既可以从量子力学从头算获得,如MCY模型[10],又可由半经验方法关联获得,如SPC,SPCE,TIP3P,TIP4P和TIP5P等[11-13].SPCE模型为扩展简单点电荷模型,并且对于输运性质的计算SPCE更接近实验值[7-8].因此本文采用半经验的SPCE刚体势能模型,分子间的相互作用势函数表达形式为

*收稿日期:2009-01-04

基金项目:国家科技支撑项目(2007ABAD50B00).

作者简介:娄彦敏(1981-),女,河南新乡人,硕士研究生,主要从事原子分子团簇方面的研究.通讯作者:刘锦超,教授.