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MoHub/MoHub20260617201355
仓库范围 大学化学案例
简介：本案例库基于Syslab Julia、TyPlot与TyAppDesigner，提供61个独立运行的大学化学数值仿真与可视化脚本，涵盖动力学、平衡、热力学、电化学、量子化学、反应扩散、材料、光谱及化工过程等13个模块。新增5个带GUI的教学App，重点强化非线性动力学、量子轨道、新能源等前沿内容。
教学案例化学
介绍 模型 文件 依赖 版本

大学化学数值仿真与可视化案例库

本项目基于 Syslab Julia、TyPlot 与 TyAppDesigner，提供 13 个模块、61 个可独立运行的大学化学数值仿真与可视化脚本案例，并新增 5 个带真实 GUI 界面的化学方向教学 App。本项目不包含统一 main.jl。

第二轮升级重点强化了非线性动力学、反应扩散、量子轨道、材料结构、电化学新能源、光谱模拟和化学工程过程仿真。新增案例优先采用云图、等值线图、三维图、概率密度图和动态演化图，适合课堂演示和参数探究。

目录结构

  • 01_化学动力学：一级、二级、连续、平行反应，Arrhenius 分析与速率常数拟合。
  • 02_化学平衡：弱酸、电离、缓冲、滴定、沉淀和络合平衡。
  • 03_分析化学：吸光定律、标准曲线、多组分光谱、紫外可见光谱和荧光猝灭。
  • 04_化学热力学：理想气体、真实气体、Clausius-Clapeyron、Gibbs 自由能和相图。
  • 05_电化学：能斯特方程、原电池、浓差电池、放电曲线和电导率。
  • 06_结构化学与量子化学：粒子箱、氢原子轨道、杂化轨道、氢分子轨道、振动和转动能级。
  • 07_传质与扩散：一维/二维扩散、扩散反应耦合和吸附动力学。
  • 08_化工基础：批式、CSTR、PFR、串联反应器和换热器。
  • 07_反应扩散与复杂系统：碘钟反应、BZ 振荡、Brusselator、Gray-Scott 斑图和反应扩散耦合。
  • 08_材料化学：晶体结构、晶体缺陷、晶粒生长 Monte Carlo。
  • 09_电化学与新能源：锂离子电池、浓差极化、燃料电池性能。
  • 10_光谱化学：红外、拉曼、核磁共振、升级版 UV-Vis 光谱。
  • 11_化学工程过程仿真：精馏塔、放热反应器热点、催化剂颗粒内部扩散。

重点推荐案例

★★★★★重点推荐：

  • 07_反应扩散与复杂系统/GrayScott反应扩散斑图.jl：二维反应扩散自组织斑图，展示豹纹、迷宫纹和指纹纹理参数效应。
  • 07_反应扩散与复杂系统/BZ振荡反应模拟.jl：非线性化学振荡、浓度时间曲线和相轨迹。
  • 08_材料化学/晶粒生长MonteCarlo模拟.jl：Monte Carlo 晶界迁移和彩色晶粒云图。
  • 06_结构化学与量子化学/氢原子轨道三维云图.jl：轨道概率密度、二维截面和三维等值点云。
  • 09_电化学与新能源/锂离子电池充放电模拟.jl：SOC、电压平台和颗粒内简化扩散。
  • 10_光谱化学/核磁共振谱模拟.jl：化学位移、峰分裂和谱峰归属。
  • 11_化学工程过程仿真/放热反应器热点形成模拟.jl：放热反应热点形成与温度云图。

新增与升级案例

06_结构化学与量子化学

  • 氢原子轨道三维云图.jl：替换原二维轨道云图，展示 1s、2s、2p、3d 轨道概率密度、二维云图和三维等值点云。
  • sp_sp2_sp3杂化轨道模拟.jl：展示 s/p 轨道线性组合形成 sp、sp2、sp3 杂化轨道。
  • 氢分子轨道形成模拟.jl：展示 1s+1s 形成 σ 成键轨道和 σ* 反键轨道。

07_反应扩散与复杂系统

  • 碘钟反应动力学模拟.jl：模拟诱导期、突变显色和关键浓度变化。
  • BZ振荡反应模拟.jl：采用 Oregonator 简化模型显示化学振荡和相轨迹。
  • Brusselator振荡反应模型.jl：展示非线性动力学、稳态和极限环。
  • GrayScott反应扩散斑图.jl：二维有限差分反应扩散斑图，适合参数演示。
  • 反应扩散耦合过程.jl：二维扩散与一级反应耦合的云图对比。

08_材料化学

  • 晶体结构三维展示.jl：FCC、BCC、HCP 原子排列三维展示。
  • 晶体缺陷与位错模拟.jl：空位、间隙原子和位错结构对比。
  • 晶粒生长MonteCarlo模拟.jl：晶粒长大过程和晶粒尺寸统计。

09_电化学与新能源

  • 锂离子电池充放电模拟.jl：SOC、电压变化、容量、能量和简化扩散剖面。
  • 电极浓差极化模拟.jl：电极扩散层浓度云图和浓度剖面。
  • 燃料电池性能模拟.jl：活化极化、欧姆极化、浓差极化和功率密度曲线。

10_光谱化学

  • 红外光谱模拟.jl：典型官能团 IR 高斯峰模拟。
  • 拉曼光谱模拟.jl：Stokes 与 Anti-Stokes 拉曼峰。
  • 核磁共振谱模拟.jl：化学位移、n+1 裂分和峰位分析。
  • 紫外可见吸收光谱模拟.jl：多峰吸收、峰展宽和基线影响。

11_化学工程过程仿真

  • 精馏塔分离过程模拟.jl：McCabe-Thiele 图和塔板组成变化。
  • 放热反应器热点形成模拟.jl：二维热点形成、温度云图和热失控趋势。
  • 催化剂颗粒内部扩散模拟.jl：球形颗粒浓度剖面、Thiele 模数和有效因子。

原有案例概览

原有 41 个基础案例仍保留，覆盖化学动力学、化学平衡、分析化学、热力学、电化学、结构化学、传质扩散和化工基础。基础案例用于概念入门，高级案例用于课堂演示、参数扫描和数值仿真拓展。

运行方式

每个 .jl 文件都可以单独运行，不依赖其他案例脚本或外部函数文件。进入任意案例所在目录后，在 Syslab Julia 环境中运行：

include("案例文件名.jl")

也可以在 Syslab 编辑器中直接打开对应 .jl 文件运行。每个脚本会直接打开可见图窗显示曲线、云图或三维图，不会保存图片到本地。

参数修改方式

每个脚本均包含“参数设置区”。教师或学生可直接修改速率常数、平衡常数、扩散系数、网格数、时间步长、谱峰位置、峰宽、反应器参数等，再重新运行脚本观察结果变化。

截图占位说明

本案例库当前不保存图片文件。若后续需要制作课件，可在 Syslab 图窗中手动截图，并按如下占位命名：

  • screenshots/GrayScott反应扩散斑图.png
  • screenshots/BZ振荡反应模拟.png
  • screenshots/晶粒生长MonteCarlo模拟.png
  • screenshots/氢原子轨道三维云图.png
  • screenshots/锂离子电池充放电模拟.png
  • screenshots/核磁共振谱模拟.png
  • screenshots/放热反应器热点形成模拟.png

质量要求

  • 所有案例均为独立脚本。
  • 不开发 main.jl。
  • 所有脚本文件名使用中文。
  • 代码注释使用中文。
  • 变量名和函数名避免使用中文。
  • 图形直接显示，不默认保存到本地。
  • 数值计算包含非负约束、限幅或保护常量，降低 NaN、Inf、除零和维度错误风险。

适用课程

适用于大学化学、物理化学、分析化学、结构化学、电化学、材料化学、化工原理、数值计算与科学可视化等课程的课堂演示、作业拓展和实验前预习。

教学 App

本案例库新增 教学App 一级目录，包含 5 个化学方向教学 App。每个 App 都使用 Syslab TyAppDesigner 创建真实 GUI 窗口，而不是命令行封装或纯脚本状态字典：

  • 化学反应动力学教学App
  • 分子光谱分析教学App
  • 化学反应扩散教学App
  • 分子结构与轨道教学App
  • 电化学与新能源教学App

每个 App 均包含 App主程序.jl、计算函数.jl、示例参数说明.md 和 README.md。App主程序.jl 中包含 uifigure 主窗口、uipanel 参数区、uidropdown 任务选择、uinumericeditfield 参数输入框、uibutton 回调按钮、uitextarea 中文结果区和 uiaxes 曲线绘图区。按钮回调采用 Syslab App Designer 支持的字符串回调方式注册，运行后直接在界面坐标轴中绘制曲线，不自动保存图片到本地。

进入任一 App 文件夹后，可在 Syslab Julia 中运行：

include("App主程序.jl")
对应模块名.open_app()

App 代码使用英文变量名和函数名，中文注释、中文界面文字和中文错误提示；每个变量字段均带中文注释，便于教学二次开发。