分子動力學和熱力學課程概述課程目標掌握熱力學基本原理主要內容熱力學定律與分子動力學方法學習方法第一部分：熱力學基礎熱力學第二定律熵增原理熱力學第一定律能量守恒熱力學第零定律熱平衡基本概念系統、狀態、過程熱力學的基本概念系統和環境系統：研究對象環境：系統以外的一切邊界：系統與環境的分界狀態函數只依賴于系統當前狀態與過程路徑無關例如：壓力、體積、溫度過程和平衡過程：系統狀態的改變平衡：系統性質不隨時間變化熱力學第零定律系統A與C熱平衡溫度相等系統A與B熱平衡不發生凈熱量傳遞系統B與C也必熱平衡溫度是平衡態標志熱力學第一定律能量守恒能量不能被創造或銷毀只能從一種形式轉變為另一種形式內能系統所含總能量微觀粒子動能與勢能之和熱量因溫差傳遞的能量流入為正，流出為負功力沿位移方向做的功對外做功為負，接受功為正焓定義H=U+PVU為內能，P為壓力，V為體積物理意義在恒壓條件下系統吸收的熱量等于焓變應用計算化學反應熱相變潛熱計算熱化學方程式熱容定容熱容Cv體積恒定時升高單位溫度所需熱量Cv=(?U/?T)v定壓熱容Cp壓力恒定時升高單位溫度所需熱量Cp=(?H/?T)p關系Cp>Cv理想氣體：Cp-Cv=RR為氣體常數熱力學第二定律熱量自發從高溫流向低溫反之需外界做功自發過程系統趨向更高概率狀態熵增加孤立系統熵永不減少熱機效率限制無法將熱量完全轉化為功熵S狀態函數系統無序度的度量ΔS=Q/T熵變計算可逆過程中熵變等于Q/TΔSuniv≥0熵增原理孤立系統總熵永不減少自由能亥姆霍茲自由能：F=U-TS（定溫定容）吉布斯自由能：G=H-TS（定溫定壓）自由能減少方向為自發過程方向相平衡相的定義物理性質均勻的部分相律F=C-P+2F為自由度，C為組分數，P為相數相圖描述物質在不同條件下的相態平衡條件各相中組分化學勢相等化學平衡平衡概念正反應速率相等平衡常數K=Πa(產物)/Πa(反應物)平衡移動勒夏特列原理熱力學關系ΔG°=-RTlnK熱力學在化學中的應用化學反應熱力學反應熱、反應自發性、平衡常數溶液熱力學溶解度、滲透壓、汽化熱電化學電池電動勢、電極反應、電解質溶液表面化學吸附、表面張力、催化劑第二部分：分子動力學簡介理論基礎經典力學與統計力學計算模型勢能函數與相互作用模擬方法運動方程求解數據分析結構與熱力學性質分子動力學的基本概念定義研究分子系統隨時間演化的計算機模擬方法基于牛頓運動定律跟蹤原子軌跡計算宏觀物理量發展歷史1957年：液體模擬1970年代：蛋白質模擬1980年代：水模型發展2000年后：大規模并行計算分子動力學的理論基礎經典力學牛頓第二定律：F=ma求解運動方程得到粒子軌跡力由勢能函數導出：F=-?U統計力學微觀狀態與宏觀性質聯系系綜理論時間平均等于系綜平均計算方法數值積分算法Verlet算法有限差分方法分子動力學模擬的基本步驟初始化設定初始位置和速度力的計算分子間相互作用力運動方程求解數值積分更新位置和速度軌跡分析計算物理量和統計分析分子間相互作用離子鍵氫鍵偶-偶相互作用色散力偶-誘導相互作用范德華力：短程排斥與長程吸引靜電相互作用：電荷間庫侖力勢能函數勢能類型數學表達式適用范圍Lennard-Jones勢V(r)=4ε[(σ/r)^12-(σ/r)^6]非極性分子Coulomb勢V(r)=q?q?/4πε?r帶電粒子鍵合勢V(r)=k(r-r?)2/2分子內鍵邊界條件周期性邊界條件模擬無限大系統消除表面效應最小映像約定只考慮最近的周期像截斷長程相互作用截斷半徑忽略遠距離粒子相互作用提高計算效率系綜微正則系綜（NVE）粒子數N恒定體積V恒定能量E恒定孤立系統正則系綜（NVT）粒子數N恒定體積V恒定溫度T恒定熱浴耦合等溫等壓系綜（NPT）粒子數N恒定壓力P恒定溫度T恒定實驗條件最接近溫度控制速度重標方法直接調整粒子速度Berendsen熱浴弱耦合算法Nosé-Hoover熱浴產生正確的正則系綜Langevin動力學隨機力與阻尼力結合壓力控制Berendsen壓力耦合弱耦合方法通過縮放盒子尺寸調節壓力Parrinello-Rahman方法允許盒子形狀變化產生正確的NPT系綜Andersen方法擴展系統方法引入"活塞"控制體積分子動力學軟件包GROMACS：快速高效，生物大分子優化LAMMPS：材料模擬優勢，并行性能強NAMD：生物系統模擬，可擴展性好第三部分：分子動力學與熱力學的聯系微觀世界原子運動、分子相互作用統計力學橋梁概率分布與系綜平均2宏觀性質熱力學參量、狀態方程統計力學橋梁1微觀狀態粒子位置和動量2系綜理論相同宏觀條件下微觀狀態集合3時間平均分子動力學軌跡沿時間平均4宏觀性質溫度、壓力、能量平衡態分子動力學熱力學性質計算內能：粒子動能與勢能之和溫度：與粒子平均動能成正比壓力：基于維里定理計算熵：通過速度自相關函數估算結構性質分析徑向分布函數角度分布二面角分析氫鍵網絡非平衡分子動力學λ熱導率溫度梯度下能量傳遞效率D擴散系數濃度梯度下物質傳遞速率η粘度流體內部摩擦力大小σ電導率電場下電荷傳輸能力自由能計算熱力學積分法沿熱力學路徑積分能量變化微擾法計算參考系統與目標系統能量差異傘形采樣加入偏置勢克服能壘自由能微擾逐步改變系統參數相變研究固液相變熔化點預測液氣相變沸點和蒸汽壓計算相圖預測溫度-壓力相圖構建相變動力學成核與生長過程模擬化學反應動力學反應物狀態初始能量低谷過渡態能量勢壘產物狀態最終能量低谷第四部分：分子動力學在熱力學中的應用材料科學相變研究界面性質熱傳導模擬化學化學反應機理溶液性質自組裝過程生物學蛋白質折疊膜結構穩定性藥物相互作用液體性質研究徑向分布函數描述粒子空間分布g(r)=ρ(r)/ρ均方位移描述粒子運動MSD=〈|r(t)-r(0)|2〉擴散系數描述物質傳遞能力D=lim(t→∞)MSD/6t界面現象納米材料熱力學尺寸效應熔點降低比熱容變化表面原子比例增加量子限域效應熱穩定性團簇結構重排表面重構相變溫度變化熱膨脹系數異常生物大分子模擬蛋白質折疊一級結構到三級結構自由能景觀探索藥物設計配體-受體相互作用結合自由能計算膜蛋白動力學離子通道功能信號傳導機制相變材料研究熱傳導模擬傅里葉定律驗證q=-k?T納米尺度熱輸運經典熱傳導理論失效聲子輸運晶格振動傳遞熱能界面熱阻Kapitza阻力第五部分：高級主題人工智能方法機器學習勢能面多尺度模擬跨越時空尺度鴻溝量子效應考慮超越經典力學限制4增強采樣技術克服自由能壘障礙量子效應考慮路徑積分分子動力學費曼路徑積分方法從頭算分子動力學動態電子結構計算量子修正經典MD零點能考慮半經典近似量子效應部分引入多尺度模擬粗粒化模型減少自由度延長模擬時間尺度QM/MM方法反應中心量子處理其余部分分子力學介觀尺度方法粗粒化與連續介質結合擴展空間尺度機器學習在分子動力學中的應用勢能面擬合替代昂貴的從頭算計算軌跡分析識別關鍵構象和過渡態降維技術提取反應坐標4反應網絡構建自動發現反應路徑并行計算技術領域分解空間區域劃分分配不同處理器GPU加速利用圖形處理器并行計算能力負載平衡動態調整各處理器計算任務分布式計算多機集群協同計算增強采樣技術傘形采樣沿反應坐標加偏置勢復制交換多溫度并行模擬交換構型元動力學增加已訪問區域勢能促進跨壘轉換路徑采樣關注系統轉換路徑第六部分：實踐應用實際案例深入了解分子動力學與熱力學結合應用案例研究1：液體水的性質溫度(K)密度(g/cm3)案例研究2：金屬納米粒子的熔化20%熔點降低率5nm金納米粒子1/r尺寸依賴關系熔點降低與粒徑成反比80%表面原子比例2nm納米粒子案例研究3：蛋白質熱穩定性折疊構象穩定性關鍵氫鍵網絡隨溫度變化結構水分子作用疏水核心穩定性變性過程分析二級結構先解體疏水崩潰溫度變性自由能變化案例研究4：相變材料的熱性能潛熱計算相變過程吸放熱量ΔH=H?-Hs相變動力學成核與生長過程Avrami指數過冷度影響結晶速率與過冷度關系臨界核尺寸實驗技巧參數優化時間步長選擇截斷半徑確定系統尺寸測試平衡達成判據能量波動均方位移線性關系結構參數穩定誤差分析統計誤差系統誤差不確定性評估結果可視化軌跡可視化分子結構動態展示VMD、PyMOL軟件相關函數統計分析結果徑向分布函數自由能景觀熱力學驅動力直觀表達反應坐標投影第七部分：前沿發展人工智能與分子動力學機器學習勢能面極端條件模擬高壓高溫分子行為復雜體系多尺度模擬從原子到宏觀實驗與模擬結合互相驗證與預測人工智能與分子動力學神經網絡勢能接近從頭算精度接近經典MD速度復雜體系可行性數據驅動模擬自動發現反應路徑異常構象識別預測新材料性質極端條件下的熱力學高壓下鍵長縮短高溫下鍵斷裂概率增加超臨界流體特殊性質復雜體系模擬多組分體系混合物熱力學性質非均質材料界面與表面效應多尺度方法跨越時空尺度鴻溝3智能算法輔助挖掘隱藏規律實驗與模擬的結合實驗結果宏觀測量數據計算模擬微觀機理解釋新認知綜合理解未來展望挑戰時間尺度限制精度與效率平衡機遇計算能力提升人工智能結合發展方向多