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Tese

Molecular dynamics simulations of gas hydrates: equilibrium temperature determination and nucleation analysis (2025)

  • Authors:
  • Autor USP: WEIDMANN, ARTHUR BENIGNO - EP
  • Unidade: EP
  • Sigla do Departamento: PQI
  • Subjects: ÁGUA; NUCLEAÇÃO; GELO SECO
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: A água apresenta um comportamento complexo em suas fases sólidas, com mais de 20 polimorfos de gelo reconhecidos até o momento. Além disso, na presença de gases leves em temperaturas mais baixas e/ou pressões moderadas a altas, a água se organiza por meio de ligações de hidrogênio encapsulando moléculas de gás em estruturas semelhantes a cavidades, formando o sólido cristalino não estequiométrico conhecido como hidrato de gás. Simulações moleculares são uma ferramenta poderosa para entender fenômenos como nucleação e obter propriedades de sistemas de gelo e hidratos de gás. Esses exemplos são o foco deste trabalho, que é dividido em três seções principais. A primeira parte trata da determinação da temperatura de dissociação de hidratos de gás por meio de simulações de dinâmica molecular no conjunto NPH. Na segunda parte deste trabalho a metodologia validada na primeira é estendida para determinar o diagrama de fases água/gelo. Finalmente, a terceira parte contém um estudo da nucleação de hidratos de gás mistos de propano e dióxido de carbono por meio de simulações de dinâmica molecular. Por meio de um extenso conjunto de simulações, relatamos na primeira parte desta tese o método de coexistência direta no conjunto NPH (isobárico-isentálpico), que requer trajetórias menores e mais curtas do que os conjuntos NV T ou NPT. Os valores computados estão de acordo com outras simulações da literatura e dados experimentais. Os resultados são ainda validados com o cálculo da entalpia de dissociação, com um valor de 50 kJ/mol de metano, também de acordo com a literatura. Embora a metodologia e seus parâmetros requeridos exijam um maior custo computacional, o conjunto NPH é bem-sucedido em fornecer a temperatura de dissociação de hidratos de gás em menos simulações do queoutros conjuntos. Na segunda parte, os pontos de fusao do gelo Ih, III, V e VI são relatados entre 0,1 e 1190 MPa por meio de simulações de coexistência direta de dinâmica molecular no conjunto NPH. Nossos resultados sao consistentes com as linhas de coexistência reportadas no artigo original do modelo TIP4P/Ice, exceto para o gelo III, para o qual relatamos uma regiao de estabilidade muito maior. Os dados obtidos concordam com trabalhos recentes, validando esta metodologia como uma alternativa aos cálculos de energia livre e simulações de coexistência direta no conjunto NPT para fases de alta pressão do gelo. Finalmente, na terceira parte, uma análise de simulações extensivas de dinâmica molecular de hidratos mistos de CO2/C3H8 em diferentes proporções (1:2,1:1,2:1) ´e apresentada para entender a influência da composição dos gases nos tipos de cavidades, ocupação, conexões e transições, nos estágios de pré-nucleação, nucleação e crescimento, e pós-crescimento deste processo. Um total de 137 s de trajetórias são avaliados. Embora apenas sólidos amorfos sejam obtidos, padrões são observados para as cavidades dominantes (512, 4151062, 51263 e 4151064) e para as probabilidades de transições de cavidades. As cavidades 4151064 e especialmente 51263 sao consideradas cruciais para a nucleação de sistemas de composição de propano mais alta, enquanto as cavidades 512 e 51264 são essenciais para sistemas de composição de CO2 mais alta.
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 28.05.2025
    • Acesso à fonte
    How to cite
    A citação é gerada automaticamente e pode não estar totalmente de acordo com as normas

    • ABNT

      WEIDMANN, Arthur Benigno e PESSÔA FILHO, Pedro de Alcântara. Molecular dynamics simulations of gas hydrates: equilibrium temperature determination and nucleation analysis. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-13082025-075046/pt-br.php. Acesso em: 05 jan. 2026.

    • APA

      Weidmann, A. B., & Pessôa Filho, P. de A. (2025). Molecular dynamics simulations of gas hydrates: equilibrium temperature determination and nucleation analysis (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-13082025-075046/pt-br.php

    • NLM

      Weidmann AB, Pessôa Filho P de A. Molecular dynamics simulations of gas hydrates: equilibrium temperature determination and nucleation analysis [Internet]. 2025 ;[citado 2026 jan. 05 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-13082025-075046/pt-br.php

    • Vancouver

      Weidmann AB, Pessôa Filho P de A. Molecular dynamics simulations of gas hydrates: equilibrium temperature determination and nucleation analysis [Internet]. 2025 ;[citado 2026 jan. 05 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-13082025-075046/pt-br.php

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