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出版者:西北工业大学出版社

作者:黄英 编

出品人:

页数:524

译者:

出版时间:2005-1

价格:45.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787561218327

丛书系列:

图书标签:

• 化工
• 过程
• 设计
• 化工工程
• 流程图
• 模拟
• 优化
• 设备
• 工艺
• 传热
• 反应工程

《计算化学前沿进展》：探索微观世界的动力学与结构 导言：跨越尺度的桥梁 本书旨在为化学、材料科学及相关领域的研究人员和高年级本科生、研究生提供一个深入了解现代计算化学最新发展和核心理论框架的窗口。我们不再满足于对宏观现象的定性描述，而是致力于通过原子和分子的精细模拟，揭示物质的本质属性及其在复杂过程中的动态行为。本书聚焦于那些推动学科边界的计算方法论的创新，以及它们在解决实际科学难题中的应用。 第一部分：量子化学的深度挖掘与效率革命 第一章：高精度电子结构方法的局限性突破 传统密度泛函理论（DFT）在处理电子相关能和非定域（non-local）效应时仍存在系统性误差，尤其是在涉及强关联体系（如过渡金属氧化物、激发态过程）时。本章将详细探讨后-DFT方法的最新进展，特别是耦合簇（Coupled Cluster, CC）理论在降低计算成本方面的改进，如利用多尺度方法（QM/MM的QM部分优化）和低秩近似（Low-Rank Approximations）来扩展其应用范围至中等大小的分子体系。我们将重点分析现代混合泛函（Hybrid Functionals）的设计哲学，以及如何通过引入更精细的交换相关势来校准能量预测的准确性。 第二章：非绝热过程与动力学模拟的融合 理解化学反应的实际路径，必须考虑电子态的转变，即非绝热耦合。本章深入剖析了当前模拟这些复杂过程的主流技术。从扩展的半经典动力学（如多斯龙-布朗动力学，Ehrenfest Dynamics）到完全量子的路径积分分子动力学（Path Integral Molecular Dynamics, PIMD）在处理零点能效应方面的应用。重点讨论了如何在高斯曲面（Conical Intersections, CIs）附近实现精确的电子态跳跃概率计算，特别是基于林兹-杨（Lin-Yau）方法的改进，以及它们在光催化和光化学反应中的关键作用。 第三章：机器学习在量子计算中的赋能 当前，计算化学面临的瓶颈在于对潜在能面（Potential Energy Surface, PES）的全局采样效率低下。本章全面介绍如何利用深度学习（Deep Learning）模型来替代昂贵的第一性原理计算。具体内容包括：如何构建高维特征空间（如原子构型描述符，如滑翔矩阵、球谐函数展开），以及如何训练神经网络（如Chatterjee-Kohn网络、图神经网络GNNs）来预测能量和力的准确性。讨论了如何结合贝叶斯优化和主动学习策略，实现对“感兴趣区域”PES的迭代性、高精度拟合，从而显著加速材料筛选和反应机理研究。 第二部分：介观尺度模拟与复杂系统的动力学 第四章：粗粒化模型的理论严谨性与适用性拓展 对于涉及数百万个原子的大型系统，如聚合物溶液、生物膜或多孔催化剂，全原子模拟是不切实际的。本章关注如何构建具有物理意义的粗粒化（Coarse-Grained, CG）模型。我们将探讨从密度泛函理论数据中反推（Inversion）CG参数的先进方法，包括基于信息论（如最大熵原理）和自由能最小化框架下的映射技术。重点分析了Martyna-Tuckerman（MT）动力学在加速CG模拟中构象探索方面的应用，并比较了不同CG范式（力场驱动型 vs. 自由能驱动型）的优劣。 第五章：界面与表面现象的电化学计算 现代能源存储与转化严重依赖于界面化学。本章专注于如何使用计算方法精确描述固-液或固-气界面的结构、电子特性和反应活性。内容涵盖了如何利用周期性边界条件下的表面模型（Slab Models）和准三维模型（Nanoparticle Models）来模拟电极/电解质界面的双电层结构。特别分析了溶剂化效应（Solvation Effects）的精确处理，包括显式溶剂模型与隐式溶剂模型的修正，以及如何利用电化学势（Electrochemical Potential）作为输入变量来稳定计算过程，从而准确预测氧化还原电位和电荷转移速率。 第六章：超算环境下的并行化与算法优化 先进的计算化学方法只有在高效的并行计算架构下才能发挥作用。本章聚焦于大规模计算模拟的代码设计与优化策略。讨论了如何高效地在数千个CPU核心和GPU集群上分布昂贵的矩阵运算（如求解Hartree-Fock方程或CC方程）。重点分析了基于FFT加速的静电相互作用计算（如PME方法）在周期性体系中的最新优化，以及如何利用异步通信和负载均衡技术来最小化不同计算阶段（如能量计算与结构弛豫）之间的等待时间。 第三部分：信息论与拓扑学在化学中的应用 第七章：拓扑数据分析（TDA）在分子结构识别中的应用 拓扑学提供了一种描述数据内在“形状”的强大工具。本章探讨了如何将拓扑数据分析技术应用于复杂的分子构象空间和反应网络中。内容包括：如何利用持久同调（Persistent Homology）来识别分子能量景观中的鞍点、谷底和全局最小值，即便在高维空间中。具体案例分析了TDA在区分蛋白质折叠中间态和识别复杂多孔材料孔隙结构中的潜在价值。 第八章：复杂网络理论在反应路径搜索中的集成 化学反应往往可以被视为一个多维网络。本章将化学反应路径搜索（Reaction Path Searching）置于网络科学的框架下进行考察。介绍了如何将分子动力学或蒙特卡洛采样得到的数据点转化为图结构，其中节点代表特定的构象，边代表可行的构象转变。重点讨论了基于图论的算法（如最短路径搜索、中心性分析）如何高效地从巨大的构象空间中提取出最可能的反应路径，显著优于传统的盲目搜索方法。 结语：展望计算化学的未来图景 本书的最终目标是培养读者运用批判性思维，结合理论深度和计算效率，解决前沿科学问题的能力。未来的计算化学将更加依赖于跨学科的融合，尤其是在量子计算的曙光下，对当前算法进行革命性的重构将是必然趋势。本书所介绍的方法论，正是为迎接这一挑战所做的理论与实践准备。

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从一个学习过其他同类书籍的读者的角度来看，这本书最大的亮点在于它对“不确定性”的处理方式。化工设计本质上就是一个在各种限制条件下寻求最优解的过程，充满了妥协和取舍。这本书没有把设计过程描述得过于理想化，而是坦诚地讨论了在数据不全、工况波动等实际挑战下，设计师应如何采取保守或激进的策略。例如，在压力容器设计部分，它详细说明了在标准允许偏差下，如何进行安全裕度的调整，这体现了一种非常成熟的工程师思维。此外，书中对不同设计规范（如ASME和国内标准）的异同点也做了简要的对比，这对于需要进行国际项目合作的工程师来说，提供了宝贵的参考信息。总而言之，这本书成功地架起了一座从理论知识到工程决策的桥梁，其深度和广度都达到了一个很高的水准，是化工设计领域内不可多得的精品。

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我是在一个非常紧张的项目周期内开始阅读这本书的，当时急需对一个新流程包进行快速评估。这本书的章节结构安排得异常合理，它不像教科书那样循规蹈矩地从热力学讲到动量传递，而是直接切入了流程选择和初步设计框架的搭建。目录的逻辑性仿佛是按照实际工程设计步骤来组织的，这极大地提高了我的查阅效率。比如，当我需要确定反应器的体积和类型时，我可以直接翻到相应章节，里面提供的经验公式和初步估算方法，比我手头旧资料上的要简洁有效得多。这种高度的实用性和目的性，让我感觉这不是一本单纯的学术著作，而是一份实战手册。如果非要挑刺的话，我认为在成本估算和设备采购的环节，内容还可以更深入一些，毕竟设计到最后都是要落实在经济效益上的，如果能多一些关于设备供应商评估标准和交货期预估的经验分享，那这本书的完整度将无可挑剔。

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这本书的封面设计简洁大气，黑白灰的主色调配合着一些流程图的线条，给人一种严谨、专业的印象。我特地去翻阅了一下目录，发现内容涵盖了从基础的单元操作到复杂的工艺流程模拟，还有安全与环保方面的考量，这对于我们这些刚入行的工程师来说，无疑是一本非常实用的工具书。特别是关于反应器设计和分离过程优化的章节，感觉作者对这些核心环节的理解非常深入，讲解透彻，有很多自己独到的见解。我尤其欣赏它在理论推导过程中所展现出的严密逻辑性，每一步公式的引入和参数的选择都有充分的依据，不像有些教材那样只是简单地罗列公式，读起来让人感到踏实。不过，我个人更希望看到一些更贴近实际生产现场的案例分析，例如某个特定化工装置在不同负荷下的操作优化，这样理论联系实际的效果会更好，更能加深读者的理解。整体来说，这是一本值得案头常备的专业参考资料，对于提升工程实践能力帮助巨大。

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老实说，我抱着一种半信半疑的心态开始阅读的，因为市面上很多化工类的书籍都存在一个问题：理论堆砌过多，而实际操作指导严重不足，导致学完之后还是不知道如何在车间里真正落地。然而，这本书的“设计”二字似乎真的点明了它的核心价值。它并没有过多纠缠于高深的数学物理模型，而是将重点放在了如何将这些模型转化为可执行的设计方案上。比如在设备选型和物料衡算的部分，它详细对比了不同类型换热器或塔器的适用性及经济性分析，这才是我们工程师最关心的问题。我特别留意了其中关于P&ID图绘制规范的部分，讲解得极其细致，甚至连阀门标识和仪表接线都有提及，这对于标准化管理和后续的维护工作至关重要。唯一的遗憾是，在软件应用方面着墨不多，现今很多设计工作都依赖于Aspen HYSYS或Pro/II等模拟软件，如果能加入一些主流软件的操作流程或案例演示，那就更完美了，毕竟时代在进步，设计方法也在迭代。

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这本书的文字风格，怎么说呢，非常“老派”却又充满力量。它没有使用太多华丽的辞藻，语言平实、直接，像一位经验丰富的老专家在耳边娓娓道来，句式结构偏向于陈述和论断，读起来节奏感很强，让人不由自主地想要跟随作者的思路往下走。我发现作者似乎非常注重“为什么”而不是仅仅“是什么”。比如在讨论塔板效率时，它会追溯到气液传质的基本原理，并结合实际操作中可能遇到的负荷波动问题进行探讨，这种追根溯源的讲解方式，使得知识点之间的联系非常清晰，构建了一个完整的知识网络。我感觉作者对工艺流程的整体把控能力极强，对流程的“黑箱”部分做了很多合理的简化和假设，这使得初学者也能快速上手把握主干。唯一的改进建议是，某些复杂的流程图谱如果能用更现代的图示软件重新绘制一遍，清晰度和可读性会大幅提升，毕竟一些手绘风格的图样在细节上还是略显吃力。

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