室温的本质,是分子、原子的内部震动的动能,以及整体的平移运动的动能。气温越高,震动越剧烈,平移运动的速率也越快。其实有平移的运动,就有分子间的撞击,这些撞击,既改变两个分子的平移运动的速率,也改变两个分子内部震动。正是通过这些方法,实现二氧化碳和液体分子的热传导,达到热平衡,也就是在统计上,每位分子的内部震动的动能,以及整体的平移运动的动能大致差不多——更详尽的,则是动能的大小概率,根据玻尔兹曼函数分布。真正理解体温,可能须要一定的化学基础分子热运动的剧烈程度,但宽泛而言,清楚如下的事实即可:
键能,是一个与气温无关的量,无论气温为多少,只要分子结构是一样的,键能就是一样的。但气温越高,内部震动也越剧烈,可以觉得假如剧烈到一定程度,震动的动能才能与键能相当的时侯,就有可能造成破裂——但应当记住,键能只与顿时的分子构象有关,和原子的运动速率没有关系,也就是和气温没有关系。
能垒,也是一个与气温无关的量,一个物理反应,不管气温为多少,只要走的是同一个反应通道,能垒都是一样的。其实,不同的水温,也就有了不同的动能,这种动能,还能帮助分子跨过能垒,因而促使反应更容易——但这绝不是指气温下降造成能垒增加!
迸发态、激发能,原理上也与气温无关。也只与顿时的分子结构有关。但不同水温下,分子的平衡结构有一定的变化,甚至会逗留在不同的亚稳态结构,这就造成出现了气温影响了迸发态的表象。
分子的震动,估算震动的原理也十分简单,也就是在平衡位置(能量最高点)对结构进行微小改变,这样得到能量与结构的变化趋势,也就是得到能量与键长键角的关系(一阶梯度、二阶梯度,其中二阶梯度就是力),其实也可以用解析的方法,通过公式推论得到能量的梯度,梯度得到之后,就得到震动谱。须要注意的是,这个估算过程,和气温没有任何关系。而气温的本质,无非就是气温越高,振幅越大,震动能量越大而已,反过来说,震动越剧烈,造成所谓的气温越高。因而可以估算不同水温下的热力学性质,这种热力学性质,实际上就是在不同水温下,震动的剧烈程度。简而言之,震动谱和气温没有关系,热力学性质由震动谱决定,与气温有关系——是通过玻尔兹曼分布对震动剧烈程度进行分布,玻尔兹曼分布是和湿度有关的一个分布函数,通过这些分布,将体温考虑进来。用一个形象的比喻:理想的弹簧的震动性质,实际上只和弹簧的弹性系数有关,理想弹簧的弹性系数和气温没有关系,但气温越高,弹簧弹的越剧烈,具体有多剧烈,就是用玻尔兹曼分布公式来确定。
能量分解,是与气温无关的一个东西。就好象势能面是与气温无关,一样的道理。之所以升温容易反应,只不过是热量提供了能量,致使分子抵达了能量较高的结构而已。并不是说气温不同,所以势能面不同了。无论多少度的能量分解,都是一样。电子的能量,只与分子结构有关,和分子的热运动的能量(震动情况)无关。在热运动(震动)过程中,分子的结构每一霎那都在改变。每一霎那的能量分解都不同,而且只依赖当时那一霎那的结构。
总的来说,量子物理估算,都是基于一个静态的结构。而实际上,原子总是在运动的,虽然是在绝对零度,原子也是在运动的。只不过气温越低,运动越是平缓、幅度越微弱。所以就算是在绝对零度,量子物理估算的也只是在运动中的某一个顿时的结构的性质。一般,我们做能量最小化,得到的结构就是绝对零度的时侯的震动的一个平衡位置分子热运动的剧烈程度,形象的说,一个弹簧在震动的时侯,有一个状态是平衡状态,与这个状态相比,拉长会有回缩的趋势,压缩会有伸长的趋势。
而分子动力学模拟,本身原理十分简单,在给定一个原子的分布以后,软件一般会随机地给那些原子一个初始的速率,同时估算出在这个情况下,每位原子的受力,这样原子的初始座标、初始速率、力(也就得到了加速度)都有了,因而接出来怎么运动,就确定了。在这样的加速度下运动一个时间段(在分子动力学模拟中,称作时间步长timestep),之后再度估算每位原子的座标、速度、力(加速度)。这么重复。在timestep以内,觉得加速度不变,这实际上是一个粗糙的近似,由于只要在运动,力肯定是变化的,也就是说加速度是变化的。但真正完全精确的连续精确地处理加速度,这不现实,也没有必要。由于力场本身就不精确。
为此,假如使用的力场是绝对精确的,这么timestep越小,结果越精确,但timestep越小计算量越大;同时力场本身就不是精确的,所以timestep过小没有意义,并不会减小精度,但也不能过大,过会议带来很大的偏差(诱因如上一段所说)。通常合铁锭体材料,timestep大概为1~2fs,而涉及物理反应的模拟,通常timestep不能太大,0.25fs是合适的。