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Academic Year: 2021/22

32524 - STATISTICAL MECHANICS AND SIMULATION APPLICATIONS

This is a non-sworn machine translation intended to provide students with general information about the course. As the translation from Spanish to English has not been post-edited, it may be inaccurate and potentially contain errors. We do not accept any liability for errors of this kind. The course guides for the subjects taught in English have been translated by their teaching teams


Teaching Plan Information

Code - Course title:
32524 - STATISTICAL MECHANICS AND SIMULATION APPLICATIONS
Degree:
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013)
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
666 -
748 -
751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo
762 -
Faculty:
104 - Facultad de Ciencias
Academic year:
2021/22

1. Course details

1.1. Content area

Statistical Mechanics and Applications on Simulations

1.2. Course nature

616 - Compulsory
762 - Compulsory
666 - Training Supplement
651 - Compulsory
748 - Compulsory
751 - Compulsory

1.3. Course level

616 - Máster (EQF/MECU 7)
666 - Doctorado (EQF/MECU 8)
762 - Máster (EQF/MECU 7)
651 - Máster (EQF/MECU 7)
748 - Máster (EQF/MECU 7)
751 - Máster (EQF/MECU 7)

1.4. Year of study

751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo: 1
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional: 1
748 - : 1
762 - : 1
666 - : 99
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013): 1

1.5. Semester

Annual

1.6. ECTS Credit allotment

5.0

1.7. Language of instruction

English

1.8. Prerequisites

There are no previous prerequisites.

1.9. Recommendations

There are no recommendations.

1.10. Minimum attendance requirement

Attendance is mandatory.

1.11. Subject coordinator

1.12. Competences and learning outcomes

1.12.1. Competences

BASIC AND GENERAL COMPETENCES

CB6 – Students possess and understand knowledge that provides a basis or opportunity to be original in the development and/or application of ideas, often in a research context.

CB7 - Students know how to apply the acquired knowledge and their problem solving capacity in new or little known environments within broader (or multidisciplinary) contexts related to their area of study.

CB8 - Students are able to integrate knowledge and face the complexity of making judgments from information that, incomplete or limited, includes reflections on social and ethical responsibilities linked to the application of their knowledge and judgments.

CB9 - Students know how to communicate their conclusions and the knowledge and reasons that support them to specialized and non-specialized audiences in a clear and unambiguous way.

CB10 - Students possess the learning skills that allow them to continue studying in a way that will be self-directed or autonomous.

CG01 - Students are able to foster, in academic and professional contexts, technological and scientific progress within a society based on knowledge and respect for: a) fundamental rights and equal opportunities between men and women, b) The principles of equal opportunities and universal accessibility for persons with disabilities, and c) the values of a culture of peace and democratic values.

CG02 - Students are able to solve problems and make decisions of any kind under the commitment to the defense and practice of equality policies.

 

CROSS-COMPREHENSIVE COMPETENCES

CT01 - Students are able to adapt their selves to different cultural environments by demonstrating that they are able to respond to change with flexibility.

 

SPECIFIC COMPETENCES

CE01- Students demonstrate their knowledge and understanding of the facts applying concepts, principles and theories related to the Theoretical Chemistry and Computational Modeling.

CE04 - Students understand the theoretical and practical bases of computational techniques with which they can analyze the electronic, morphological and structural structure of a compound and interpret the results adequately.

CE09 - Students understand the basis of Statistical Mechanics formulated from the collectivities.

CE10 - Students know how to calculate partition functions and apply quantum and classical statistics to the ideal systems of interest in Chemistry.

1.12.2. Learning outcomes

This course is organized in two parts. The first part is dedicated to the foundations of Statistical Mechanics and the second part is devoted to the simulation applications.

After completing the course, the students should understand the central ideas of Statistical Mechanics, formulated on the basis of statistical ensembles. They should understand the main features of the most important ensembles (microcanonical, canonical and grand canonical), and should be able to select the most appropriate ensemble depending on the chemical system that is under investigation. The student should also understand the differences between Fermi-Dirac and Bose-Einstein statistics, as well as the conditions upon which the quantum statistics converge to the classical limit. The student should know how to calculate partition functions and apply quantum and classical statistics to ideal systems of interest in chemistry. The student should understand the differences between real and ideal systems, by analysing the main characteristics of real gases and condensed phases. Moreover, the statistical mechanics of non-equilibrium systems will be treated. Finally and due to the difficulty of finding analytical solutions, simulation methods such as MonteCarlo will be studied to obtain numerical solutions to complex problems.

As applications, students will calculate, making use of the information obtained from first principles through Quantum Chemistry calculation programs (e.g., GAMESS, GAUSSIAN,..) partition functions and enthalpic and entropic corrections to free energy differences in different situations of chemical interest (e.g., thermodynamic equilibrium constants of a gas phase reaction).

In addition, in other applications, different macroscopic properties will be determined by means of simulations with Molecular Dynamics or Monte Carlo methods, using the appropriate force fields to describe the molecular interactions (e.g., TraPPE, GROMOS,..). Examples of some of the applications to be carried out: 1) calculation of a liquid-vapor surface tension (e.g., ethanol), 2) calculation of a liquid-liquid interfacial tension (e.g., dodedane/water), 3 ) calculation of a diffusion coefficient in a gas mixture (e.g., N2 and O2 in air), 4) calculation of an adsorption isotherm for a gas/solid system (e.g., CO2 on a zeolite).

1.12.3. Course objectives

-

1.13. Course contents

1- Statistical Mechanics

  • Ensembles and postulates of statistical mechanics.
  • Microcanonical, canonical and grand canonical ensembles.
  • Fermi-Dirac, Bose-Einstein and Boltzmann statistics.
  • Classical statistical mechanics. Applications to ideal systems: ideal gases, ideal gas of photons, phonons, electrons in metals.
  • Systems of interacting particles: dilute real gases, second virial coefficient, van der Waals equation.
  • Statistical mechanics of non-equilibrium systems.
  • MonteCarlo simulations.

2- Applications

  • Calculation of molecular partition functions and macroscopic properties for a gas-phase reaction (ΔU, ΔS, ΔG, K, ..) at various temperatures.
  • Calculation of a liquid-vapor surface tension.
  • Calculation of a liquid-liquid interfacial tension.

1.14. Course bibliography

Theoretical and Computational Chemistry: Foundations, Methods and Techniques. J. Andrés y J. Bertrán. Eds. Publ. Univ. Jaime I (Castellón) 2007.

Chandler, D., "Introduction to Modern Statistical Mechanics", (Oxford University Press, London, 1986).

Hill, T. L., “An Introduction to Statistical Thermodynamics” (Dover, New York) 1986.

McQuarrie, D. A., “Statistical Mechanics”, (Harper and Row, New York) 1976.

Toda, M., Kubo, R., Saito, N., "Statistical Physics I, (Spriger-Verlag, Heidelberg) 1992.

Frenkel, D, Smit, B., “Understanding Molecular Simulation” (Academic Press, San Diego), 2002.

2. Teaching-and-learning methodologies and student workload

2.1. Contact hours

 

# hours

Contact hours (minimum 33%)

35

Independent study time

90

2.2. List of training activities

Activity # hours
Lectures 25
Seminars  
Practical sessions  
Clinical sessions  
Computar lab 10
Laboratory  
Work placement  
Supervised study  
Tutorials  
Assessment activities  
Other  

 

Lecture: The Professor will deliver face-to-face, or, online video lectures about the theoretical contents of the course during two-hour sessions. The presentations will be based on the different materials available at the Moodle platform.

Network teaching: All the tools available at the Moodle website (https://posgrado.uam.es) will be used (uploading of teaching materials, utilization of work team strategies, wiki, blogs, e-mail, etc.).

Seminars: After the lecturing period, seminars between the Professor and the students are scheduled in order to apply the theoretical contempt to problem solving and to analyze the potential problems and difficulties in using the various methodologies as well as to supervise the preparation of the required reports .

Tutoring sessions: The professor can organize either individual or group tutoring sessions about particular topics and questions raised by students.

Computational laboratory. In several practical sessions the students will make calculations on different macroscopic properties of chemical interest, applying the theoretical knowledge of Statistical Mechanics previously explained.

3. Evaluation procedures and weight of components in the final grade

3.1. Regular assessment

The knowledge acquired by the student will be evaluated along the course. The educational model to follow will emphasize a continuous effort and advance in training and learning.

The final student mark will be based on exercises that must be done during the course. The next criteria will be followed for assessment of student exercises:

  • 60% Realization of exercises related to the subject
  • 40% Completion of one of the practical sessions carried out in class, and delivery of a critical report on it.

3.1.1. List of evaluation activities

Evaluatory activity

%

Final exam

60

Continuous assessment

40

3.2. Resit

The student will have to face a final exam, including both theory and practical exercises. The latter consists in an individual work that the student will have to do with the programs used during the course.

The student mark will be obtained from:

  • 70% from the final exam,
  • 30% from the individual work.

3.2.1. List of evaluation activities

Evaluatory activity

%

Final exam

70

Continuous assessment

30

4. Proposed workplan

Please, check the official schedule posted on the master website.


Curso Académico: 2021/22

32524 - MECÁNICA ESTADÍSTICA Y APLICACIONES EN SIMULACIÓN


Información del Plan Docente

Código - Nombre:
32524 - MECÁNICA ESTADÍSTICA Y APLICACIONES EN SIMULACIÓN
Titulación:
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013)
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
666 - Programa de Doctorado en Química Teórica y Modelización Computacional
748 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo
762 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2021)
Centro:
104 - Facultad de Ciencias
Curso Académico:
2021/22

1. Detalles de la asignatura

1.1. Materia

Mecánica Estadística y Aplicaciones en Simulación.

1.2. Carácter

616 - Obligatoria
762 - Obligatoria
666 - Complementos de Formación
651 - Obligatoria
748 - Obligatoria
751 - Obligatoria

1.3. Nivel

616 - Máster (MECES 3)
666 - Doctorado (MECES 4)
762 - Máster (MECES 3)
651 - Máster (MECES 3)
748 - Máster (MECES 3)
751 - Máster (MECES 3)

1.4. Curso

751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo: 1
666 - Programa de Doctorado en Química Teórica y Modelización Computacional: 99
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional: 1
748 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional: 1
762 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2021): 1
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013): 1

1.5. Semestre

Anual

1.6. Número de créditos ECTS

5.0

1.7. Idioma

English

1.8. Requisitos previos

No hay

1.9. Recomendaciones

No hay

1.10. Requisitos mínimos de asistencia

La asistencia a las clases es obligatoria.

1.11. Coordinador/a de la asignatura

1.12. Competencias y resultados del aprendizaje

1.12.1. Competencias

BÁSICAS Y GENERALES:

CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.

CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.

CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.

CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

CG01 - Los estudiantes son capaces de fomentar, en contextos académicos y profesionales, el avance tecnológico y científico dentro de una sociedad basada en el conocimiento y en el respeto a: a) los derechos fundamentales y de igualdad de oportunidades entre hombres y mujeres, b) los principios de igualdad de oportunidades y accesibilidad universal de las personas con discapacidad y c) los valores propios de una cultura de paz y de valores democráticos.

CG02 - Los estudiantes son capaces de resolver problemas y tomar decisiones de cualquier índole bajo el compromiso con la defensa y práctica de las políticas de igualdad.

TRANSVERSALES:

CT01 - El/la estudiante es capaz de adaptarse a diferentes entornos culturales demostrando que responde al cambio con flexibilidad.

ESPECÍFICAS:

CE01 - Los estudiantes demuestran su conocimiento y comprensión de los hechos aplicando conceptos, principios y teorías relacionadas con la Química Teórica y Modelización Computacional.

CE04 - Comprende los fundamentos teóricos y prácticos de técnicas computacionales con las que puede analizar la estructura electrónica, morfológica y estructural de un compuesto e interpreta adecuadamente los resultados.

CE09 - El/la estudiante comprende la base de la Mecánica Estadística formulada a partir de las colectividades.

CE10 - Sabe calcular funciones de partición y aplica estadística cuántica y clásica a los sistemas ideales de interés en Química.

1.12.2. Resultados de aprendizaje

El curso está organizado en dos partes bien diferenciadas. La primera parte se dedica al estudio de los fundamentos de la Mecánica Estadística y la segunda parte se centra en las aplicaciones en simulación.

En la parte correspondiente a la Mecánica Estadística se busca que los alumnos comprendan la base de la Mecánica Estadística formulada a partir de las colectividades. El alumno debe entender las características de los colectivos más importantes (microcanónico, canónico y grancanónico), y saber elegir el más conveniente según sea el sistema químico que se desee estudiar. También debe entender las diferencias entre las estadísticas cuánticas de Fermi-Dirac y de Bose- Einstein, así como las situaciones en las que estas conducen al límite clásico. El alumno debe saber calcular funciones de partición y aplicar las estadísticas cuánticas y la clásica a los sistemas ideales de interés en Química. Tendrán que comprender las diferencias entre sistemas reales e ideales, analizando las características de gases reales y fases condensadas. Además se abordará el estudio mecano estadístico de sistemas de no equilibrio. Por último y dada la dificultad de encontrar resultados analíticos para muchos problemas, se analizarán los métodos de simulación con especial atención al método de MonteCarlo que permite obtener soluciones numéricas en sistemas y situaciones complejas.

Como aplicaciones los alumnos calcularán, haciendo uso de la información obtenida desde primeros principios mediante programas de cálculo de Química Cuántica  (p.ej., GAMESS, GAUSSIAN,..), las funciones de partición y las correcciones entálpicas y entrópicas a diferencias de energías libres en distintas situaciones de interés químico (p.ej., constantes de equilibrio termodinámico de una reacción en fase gas). Además, en otras aplicaciones se determinarán diferentes propiedades macroscópicas usando simulaciones mediante Dinámica Molecular o métodos Monte Carlo, empleando los campos de fuerza apropiados para describir las interacciones moleculares (p.ej. TraPPE, GROMOS,..). Ejemplos de algunas de las aplicaciones a realizar: 1) cálculo de una tensión superficial líquido-vapor (p.ej., etanol), 2) cálculo de una tensión interfacial líquido-líquido (p.ej., dodedano/agua), 3) cálculo de un coeficiente de difusión en una mezcla de gases (p.ej., N2 y O2 en el aire), 4) cálculo de una isoterma de adsorción gas/sólido absorbente (p.ej., CO2 sobre una zeolita).

1.12.3. Objetivos de la asignatura

-

1.13. Contenidos del programa

1- Mecánica Estadística

  • Colectivos y postulados de la mecánica estadística.
  • Colectivos microcanónico, canónico y grancanónico.
  • Estadísticas de Fermi-Dirac, Bose-Einstein y Boltzmann.
  • Mecánica estadística clásica.
  • Aplicaciones a sistemas ideales: gases ideales, gas ideal de fotones, fonones, electrones en metales.
  • Sistemas de partículas que interactúan: gases reales diluidos, segundo coeficiente del virial, ecuación de van der Waals.
  • Mecánica estadística en sistemas de no equilibrio.
  • Simulaciones de MonteCarlo.   

2- Aplicaciones

  • Cálculo de funciones de partición moleculares y propiedades macroscópicas para una reacción en fase gas (∆U, ∆S, ∆G, K,..) a varias temperaturas.
  • Cálculo de una tensión superficial líquido-vapor.
  • Cálculo de una tensión interfacial líquido-líquido.
  • Cálculo de una isoterma de adsorción tipo gas/sólido absorbente.

1.14. Referencias de consulta

Theoretical and Computational Chemistry: Foundations, Methods and Techniques. J. Andrés y J. Bertrán. Eds. Publ. Univ. Jaime I (Castellón) 2007

Chandler, D., "Introduction to Modern Statistical Mechanics", (Oxford University Press, London, 1986)

Hill, T. L., “An Introduction to Statistical Thermodynamics” (Dover, New York) 1986 McQuarrie, D. A., “Statistical Mechanics”, (Harper and Row, New York) 1976

Toda, M., Kubo, R., Saito, N., "Statistical Physics I, (Spriger-Verlag, Heidelberg) 1992

Frenkel, D, Smit, B., “Understanding Molecular Simulation” (Academic Press, San Diego), 2002

2. Metodologías docentes y tiempo de trabajo del estudiante

2.1. Presencialidad

 

#horas

Porcentaje de actividades presenciales (mínimo 33% del total)

35

Porcentaje de actividades no presenciales

90

2.2. Relación de actividades formativas

Actividades presenciales

Nº horas

Clases teóricas en aula

25

Seminarios

 

Clases prácticas en aula

 

Prácticas clínicas

 

Prácticas con medios informáticos

10

Prácticas de campo

 

Prácticas de laboratorio

 

Prácticas externas y/o practicum

 

Trabajos académicamente dirigidos

 

Tutorías

 

Actividades de evaluación

 

Otras

 

Lección Magistral: El profesor expondrá los contenidos del curso en sesiones presenciales, o, por video conferencia de dos horas basándose en los materiales docentes publicados en la plataforma Moodle.

Docencia en red. Se utilizará las distintas herramientas que ofrece la plataforma moodle (https://posgrado.uam.es). Publicación de contenidos de la asignatura, herramientas de trabajo en grupo: foros de discusión y wiki, correo electrónico.

Seminarios. Con posterioridad a las clases expositivas, se realizarán seminarios para abordar la aplicación de los conceptos teóricos a la resolución de cuestiones y problemas relacionados con la materia así como para discutir las dudas sobre las metodologías empleadas y supervisar la preparación de los informes elaborados por los estudiantes. .

Tutorías. El profesor realizará tutorías individuales o con grupos reducidos sobre cuestiones puntuales que los estudiantes puedan plantear.

Laboratorio computacional. En varias sesiones prácticas los alumnos harán cálculos sobre diferentes propiedades macroscópicas de interés químico, aplicando los conocimientos teóricos de Mecánica Estadística previamente explicados..

3. Sistemas de evaluación y porcentaje en la calificación final

3.1. Convocatoria ordinaria

Los conocimientos adquiridos por el estudiante serán evaluados a lo largo de todo el curso, intentando que el estudiante avance de forma regular y constante en la asimilación de los contenidos de la asignatura.

La nota final de la asignatura se basará en los ejercicios, trabajos y discusión de los mismos que se irá realizando durante el curso. Dichos trabajos se puntuarán en base a los siguientes porcentajes:

  • 60 % Realización de ejercicios relacionados con la asignatura,
  • 40 % Finalización de una de las prácticas realizadas en clase y entrega de un informe crítico sobre la misma.

 

3.1.1. Relación actividades de evaluación

Actividad de evaluación

%

Examen final (máximo 70% de la calificación final o el porcentaje que figure en la memoria)

60

Evaluación continua

40

3.2. Convocatoria extraordinaria

Se realizará un examen final único que será de carácter teórico y práctico, y que abarcará los contenidos de toda la asignatura. La parte práctica constará de un trabajo individual que tiene que realizar el estudiante con los programas utilizados a lo largo del curso. La puntuación en la convocatoria extraordinaria se realizará en base a los siguientes porcentajes:

  • 70% Examen final,
  • 30 % realización de un informe crítico de las prácticas realizadas o de ejercicios relacionados con la asignatura.

3.2.1. Relación actividades de evaluación

Actividad de evaluación

%

Examen final (máximo 70% de la calificación final o el porcentaje que figure en la memoria)

70

Evaluación continua

30

4. Cronograma orientativo

Por favor, comprobar el horario oficial publicado en la página web del Máster.