A Critical Re-examination of Constrained Equilibrium Hypothesis in Classical Nucleation Theory

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112252127
Title: A Critical Re-examination of Constrained Equilibrium Hypothesis in Classical Nucleation Theory
Author: Halonen, Roope
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Fysiikan laitos
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2016
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112252127
http://hdl.handle.net/10138/230360
Thesis level: master's thesis
Discipline: Physics
Fysiikka
Fysik
Abstract: The first order phase transition, the nucleation process, of a thermodynamic system is one of the basic physical phenomena and it has significant relevance on several scientific fields. Despite the importance of the nucleation process, the theoretical understanding is still imperfect. The emergence of a new phase, liquid or solid cluster, in the metastable gas phase is mainly treated with classical nucleation theory (CNT) by using known macroscopic thermodynamic properties of the studied substance, but the theory often fails in predicting the nucleation process adequately. The failure of describing the nucleation event by CNT has shifted the theoretical focus on molecular-level nucleation studies to improve the prediction and understanding of the origin of the failure. This thesis examines one of the key assumptions behind CNT, the constrained equilibrium hypothesis, by approaching it from statistical mechanics and thermodynamic point of view. The main tools in this work are computational: both Monte Carlo (MC) and molecular dynamics (MD) simulations have been used to simulate the homogeneous nucleation processes of Lennard-Jones argon. Two separate studies are presented: At first we compare the nucleation rates obtained by MC (based on thermodynamic equilibrium) and molecular dynamics simulations using the nonisothermal nucleation theory and then the constrained equilibrium hypothesis is invalidated by studying the kinetics of Lennad-Jones argon clusters from size of 4 up to 31 molecules at 50 K. In addition to the actual study, the thesis includes a systematic overview of the theoretical treatment of homogeneous nucleation from thermodynamic liquid drop model to applicable molecular-level simulation techniques.Termodynaamisen systeemin olomuodon muutos eli nukleaatio on yksi fysiikan perusilmiöistä, jolla on huomattavaa merkitystä monille tieteenaloille. Tästä huolimatta, nukleaatiotapahtuman teoreettinen ymmärrys on puutteellista. Yleisesti klassista nukleaatioteoriaa on käytetty kuvaamaan uuden olomuodon, nestemäisen tai kiinteän hiukkasryppään, syntymistä käyttämällä tutkittavan aineen makroskooppisia, termodynaamisia ominaisuuksia. Useimmiten klassinen nukleaatioteoria kuitenkin epäonnistuu ennustamaan nukleaatiotapahtuman piirteitä, ja tämän johdosta ilmiön teoreettinen tutkiminen on siirtynyt molekyylitasolle. Tämän tutkielman kohteena on yksi klassisen nukleaatioteorian tärkeimmistä oletuksista, pakotetun tasapainon hypoteesi, jota tutkitaan sekä statistisen mekaaniikan että termodynamiikan keinoin. Tässä työssä on pääasiallisesti käytetty laskennallisia menetelmiä: Monte Carlo- (MC) ja molekyylidynaamisillä (MD) simulaatioilla on mallinnettu Lennard-Jones -argonin homogeenistä nukleaatiota. Tutkielmassa on esitetty kaksi erillistä tutkimusta: Ensin MC- (joka perustuu termodynaamiseen tasapainoon) ja MD-simulaatioiden tuottamia nukleaationopeuksia on vertailtu toisiinsa ei-isotermisen nukleaatioteorian avulla. Toiseksi pakotetun tasapainon hypoteesi on näytetty pätemättömäksi tutkimalla 4-31 argonatomin ryppäiden kinetiikkaa 50 K asteen lämpötilassa. Työhön on tutkimustulosten lisäksi koottu laaja yhtenäinen kuvaus homogeenisen nukleaation mallintamisesta alkaen termodynaamisesta pisaramallista ja päättyen molekyylitason simulaatiomenetelmiin.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record