thermo obs
[lectures/latex.git] / posic / talks / md_simulation_von_silizium.tex
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41
42 % topic
43
44 \begin{slide}
45 %\centerslidesfalse
46 \begin{center}
47  \begin{minipage}{2.0cm}
48   \begin{center}
49   \includegraphics[height=1.6cm]{uni-logo.eps}
50   \end{center}
51  \end{minipage}
52  \begin{minipage}{8.0cm}
53   \begin{center}
54   {\large\bf
55   Molekulardynamische Simulation\\
56   von Silizium
57   }
58   \end{center}
59  \end{minipage}
60  \begin{minipage}{2.3cm}
61   \begin{center}
62   \includegraphics[height=1.5cm]{Lehrstuhl-Logo.eps}
63   \end{center}
64  \end{minipage}
65 \end{center}
66 \begin{picture}(350,40)
67 \end{picture}
68 \begin{center}
69 Frank Zirkelbach
70 \end{center}
71 \begin{picture}(350,40)
72 \end{picture}
73 \begin{center}
74  {\small 14.06.2007}
75 \end{center}
76 \end{slide}
77
78 % start of content
79 \ptsize{8}
80
81 \begin{slide}
82 {\large\bf
83  "Uberblick
84 }
85 \begin{picture}(350,10)
86 \end{picture}
87 \begin{center}
88  {\color{blue} Molekulardynamische Simulation} von 
89  {\color{green} Silizium}
90 \end{center}
91 \begin{picture}(350,10)
92 \end{picture}
93 \begin{itemize}
94  \item {\color{blue} Grundlagen} der {\color{blue}MD-Simulation}
95  \item MD in der Praxis - die Numerik im Detail
96  \item {\color{green} Potential} f"ur {\color{green} kovalent gebundene Materialien}
97  \item Zusammengefasst: Die {\em moldyn} Bibliothek
98 \end{itemize}
99 \end{slide}
100
101 \begin{slide}
102 {\large\bf
103  Atomistische Simulationen - Unterschied MC / MD
104 }
105 \begin{picture}(350,10)
106 \end{picture}
107 \begin{center}
108  Methoden zur Beschreibung eines Vielteilchen-Systems\\
109 \end{center}
110 \begin{picture}(350,10)
111 \end{picture}
112 MC:
113 \begin{itemize}
114  \item stochastische Simulation
115  \item Abrastern des Phasenraums durch Metropolis Algorithmus
116  \item Systemgr"o"se: Mittelwert aus allen Monte Carlo Schritten
117 \end{itemize}
118 \begin{picture}(350,10)
119 \end{picture}
120 MD:
121 \begin{itemize}
122  \item deterministische Simulation
123  \item N"achster Phasenraumpunkt bestimmt durch Bewegungsgleichung
124  \item Systemgr"o"se: Mittelwert aus allen Zeitschritten
125 \end{itemize}
126 \begin{picture}(350,10)
127 \end{picture}
128 Ergodenhypothese: Gleichheit der zwei Mittelwerte
129 \end{slide}
130
131 \begin{slide}
132 {\large\bf
133  Prinzip der MD-Simulation
134 }
135 \begin{itemize}
136  \item System von $N$ Teilchen (Molek"ulen)
137  \item zeitliche Entwicklung von Orten und Geschwindigkeiten
138        $\{{\bf q}_i,{\bf p}_i\}$
139  \item System Hamilton-Funktion $\mathcal{H}({\bf q},{\bf p})$
140  \item Hamilton'sche Bewegungsgleichungen:\\
141        \[
142        \dot{p}_i = - \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial q_i},
143        \qquad
144        \dot{q}_i = \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial p_i}
145        \]\\
146        Propagationsvorschrift im $6N$-dimensionalen Phasenraum
147 \end{itemize}
148 $\Rightarrow$ mikroskopische Beschreibung des Systems\\
149 $\Rightarrow$ observable Gr"o"sen durch zeitlichen Mittelwert\\
150 \begin{picture}(350,10)
151 \end{picture}
152 {\large\bf
153  Notwendige Bestandteile der MD-Simulation
154 }
155 \begin{itemize}
156  \item Methode zum Integrieren der Bewegungsgleichungen (Integrator)
157  \item Modell zur Wechselwirkung (analytische Potentialfunktion)
158  \item Zusatz zur \dq Kontrolle\dq{} des gew"unschten Ensembles
159 \end{itemize}
160 \end{slide}
161
162 \begin{slide}
163 {\large\bf
164  Integration der Bewegungsgleichungen
165 }
166 \begin{itemize}
167  \item Keine analytische L"osung f"ur $N>3$ $\Rightarrow$ numerische Integration
168  \item $3N$ DGLs zweiter Ordnung {\color{blue}oder} $6N$ DGLs erster Ordnung\\
169        \[
170        m_i \ddot{{\bf r}}_i = {\bf f}_i \qquad
171        \textrm{{\color{blue}oder}} \qquad
172        m_i \dot{{\bf r}}_i = {\bf p}_i, \quad \dot{{\bf p}}_i = {\bf f}_i
173        \]
174        \begin{center}
175        (${\bf f}_i = - \nabla_{{\bf r}_i} \mathcal{V}$, kartesische Koordinaten)
176        \end{center}
177  \item Prinzip der Finite-Differenzen-Methode\\
178        \[
179        \Gamma(t) \rightarrow \Gamma(t+\delta t)
180        \]
181        \begin{center}
182         (mit Anfangsbedingungen ${\bf r}(0)$, ${\bf p}(0)$)
183        \end{center}
184        Beispiel Euler:\\
185        ${\bf v}(t+\delta t) = {\bf v}(t) + \delta t {\bf a}(t)$\\
186        ${\bf r}(t+\delta t) = {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t)$\\
187 \end{itemize}
188 {\large\bf
189  Anforderungen an den Integrator
190 }  
191 \begin{itemize}
192  \item fehlerfreie Reproduktion der \dq echten\dq{} Trajektorie
193  \item Erhaltung der Energie, Reversibel in der Zeit
194  \item schnell \& nur eine Kraftberechnug pro Zeitschritt $\delta t$
195 \end{itemize}
196 \end{slide}
197
198 \begin{slide}
199 {\large\bf
200  {\em Predictor-Corrector} Algorithmus
201 }
202 \begin{itemize}
203  \item Vorhersage der Orte, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen etc ...
204        \begin{eqnarray}
205        {\bf r}^p(t + \delta t) &=& {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t) +
206                                 \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf a}(t) +
207                                 \frac{1}{6} \delta t^3 {\bf b}(t) + \ldots
208                                 \nonumber \\
209        {\bf v}^p(t + \delta t) &=& {\bf v}(t) + \delta t {\bf a}(t) +
210                                 \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf b}(t) + \ldots
211                                 \nonumber \\
212        {\bf a}^p(t + \delta t) &=&{\bf a}(t) + \delta t {\bf b}(t) + \ldots
213                                 \nonumber \\
214        {\bf b}^p(t + \delta t) &=&{\bf b}(t) + \ldots
215                                 \nonumber
216        \end{eqnarray}
217  \item Brechnung der tats"achlichen Kraft/Beschleunigung ${\bf a}^c$
218        f"ur die vorhergesagten Orte ${\bf r}^p$ \\
219        $\Rightarrow$ Korrekturfaktor:
220        $\Delta {\bf a}(t + \delta t) =
221        {\bf a}^c(t + \delta t) - {\bf a}^p(t + \delta t)$
222  \item Korrektur:
223        \begin{eqnarray}
224        {\bf r}^c(t + \delta t) &=& {\bf r}^p(t + \delta t) +
225                                    c_0 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\
226        {\bf v}^c(t + \delta t) &=& {\bf v}^p(t + \delta t) +
227                                    c_1 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\
228        {\bf a}^c(t + \delta t) &=& {\bf a}^p(t + \delta t) +
229                                    c_2 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\
230        {\bf b}^c(t + \delta t) &=& {\bf b}^p(t + \delta t) +
231                                    c_3 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber
232        \end{eqnarray}
233  \item Optional: Iteration des Korrekturschrittes
234 \end{itemize}
235 {\scriptsize
236  C. W. Gear.
237  The numerical integration of ordinary differential equations of various orders.
238  (1966)\\
239  C. W. Gear.
240  Numerical initial value problems in ordinary differential equations.
241  (1971)
242 }
243 \end{slide}
244
245 \begin{slide}
246 {\large\bf
247  Velocity Verlet
248 }\\
249 Aus formaler L"osung der Liouville-Gleichung f"ur Ensemble Zeitentwicklung:
250 \begin{eqnarray}
251  {\bf r}(t+\delta t) &=& {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t) +
252                          \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf a}(t) \nonumber \\
253  {\bf v}(t+\delta t) &=& {\bf v}(t) + \frac{1}{2} \delta t (
254                          {\bf a}(t) + {\bf a}(t+\delta t)) \nonumber
255 \end{eqnarray}
256 Alogrithmus:
257 \begin{itemize}
258  \item Berechnung der neuen Ortskoordinaten ${\bf r}(t+\delta t)$
259  \item Erste Berechnung der Geschwindigkeiten
260        \[
261        {\bf v}(t+\delta t/2) = {\bf v}(t) + \frac{1}{2} \delta t {\bf a}(t)
262        \]
263  \item Berechnung der Kr"afte f"ur die Orte ${\bf r}(t+\delta t)$
264        $\Rightarrow {\bf a}(t+\delta t)$
265  \item Update der Geschwindigkeiten
266        \[
267        {\bf v}(t+\delta t) = {\bf v}(t+\delta t/2) +
268                              \frac{1}{2} \delta t {\bf a}(t+\delta t)
269        \]
270 \end{itemize}
271 Eigenschaften:
272 \begin{itemize}
273  \item entspricht {\em GEAR-3} mit Ortskorrekturfaktor $c_0=0$
274  \item einfach, schnell, wenig Speicheraufwand $(9N)$
275  \item verh"altnism"a"sig pr"azise
276 \end{itemize}
277 \end{slide}
278
279 \begin{slide}
280 {\large\bf
281  Modell zur Wechselwirkung - Das Potential
282 }\\
283 Klassisches Potential:
284 \[
285 {\mathcal V} = \sum_i {\mathcal V}_1({\bf r}_i) +
286                \sum_{i,j} {\mathcal V}_2({\bf r}_i,{\bf r}_j) +
287                \sum_{i,j,k} {\mathcal V}_3({\bf r}_i,{\bf r}_j,{\bf r}_k) +
288                \ldots
289 \]
290 \begin{minipage}{8.3cm}
291 \begin{itemize}
292  \item ${\mathcal V}_1$: Eink"orperpotential (Gravitation, elektrisches Feld)
293  \item ${\mathcal V}_2$: Paarpotential
294                          (nur abh"angig vom Abstand $r_{ij}$)
295  \item ${\mathcal V}_3$: Dreik"orperpotential
296        (oft ${\mathcal V}_3(r_{ij},r_{ik},\theta_{ijk})$)
297  \item oft umgebungsabh"angiger Term in ${\mathcal V}_2$ eingebaut
298  \item Terme h"oherer Ordnung vermutlich klein (Biologie, Chemie)
299  \item nur Paarpotential\\
300        $\Rightarrow$ hcp im Grundzustand\\
301        $\Rightarrow$ ungen"ugend f"ur kovalent gebundene Materialien
302 \end{itemize}
303 \end{minipage}
304 \begin{minipage}{4cm}
305  \includegraphics[width=4.3cm]{tersoff_angle.eps}
306 \end{minipage}
307 Cut-Off Radius $r_c$:
308 \begin{itemize}
309  \item Atome $i$, $j$ mit $r_{ij} > r_c$ wechselwirken nicht
310  \item Korrektur f"ur Potentiale die erst im Unendlichen verschwinden
311 \end{itemize}
312 \begin{picture}(350,5)
313 \end{picture}
314 Kraft: ${\bf F}_i = - \nabla_{{\bf r}_i} \mathcal{V}$
315 \end{slide}
316
317 \begin{slide}
318 {\large\bf
319  Wahl/Kontrolle des Ensembles
320 }\\
321 \begin{picture}(350,10)
322 \end{picture}
323 Erinnerung:
324 \begin{itemize}
325  \item Stichproben aus Zust"anden im Phasenraum, $<A>_{ens} = <A>_t$
326  \item Bewegungsgleichung als Propagationsvorschrift $\Rightarrow$ Gesamtenergie erhalten
327  \item Au"serdem konstant: $N$ und $V$
328 \end{itemize}
329 $\Rightarrow$ Simulation eines NVE-Ensembles
330 \[
331  \rho_{ens}=\delta(H(t)-E)
332 \]
333 \begin{picture}(350,10)
334 \end{picture}
335 F"ur andere Ensembles:
336 \begin{itemize}
337  \item Anpassung der Bewegungsgleichungen f"ur eine Sequenz von Konfigurationen
338        im gew"unschten Ensemble
339 \end{itemize}
340 \begin{center}
341 {\color{red} oder}
342 \end{center}
343 \begin{itemize}
344  \item Tricks zur Kontrolle von $T$ und $p$
345        $\Rightarrow$ $NVE \rightarrow NVT,NpT$\\
346        Anmerkung: $T$ und $p$ fluktuieren,
347        Mittelwerte entsprechen den gew"unschten Werten
348 \end{itemize}
349 \end{slide}
350
351 \begin{slide}
352 {\large\bf
353  kanonisches Ensemble (NVT)
354 }\\
355 \begin{picture}(350,10)
356 \end{picture}
357 Trick: {\em temperature scaling}
358 \begin{itemize}
359  \item forcieren der gew"unschten Temperatur in jedem Schritt
360  \item $E_{kin} = 3/2 Nk_BT$
361  \item eigentlich {\em velocity scaling}
362  \item Berendsen Thermostat:
363        \[
364        \lambda = \sqrt{1+\frac{\delta t}{\tau_T}\Big(\frac{T_{ref}}{T}-1\Big)}
365        \]
366        \begin{center}
367        $\tau_T>100\times\delta t \Rightarrow$ reale thermische Fluktuationen\\
368        {\scriptsize Berendsen et al. J. Chem. Phys. 81 (1984) 3684.}
369        \end{center}
370 \end{itemize}
371 Andersen:
372 \begin{itemize}
373  \item Zuf"alliges "Andern der Geschwindigkeit eines Atoms entsprechend
374        der Temperatur
375  \item Physikalische Interpretation: Kopplung an W"armebad
376  \item {\color{green} n"utzlich zum Berechnen thermodynamischer Gr"o"sen}
377  \item {\color{red} nicht geeignet zur Beschreibung atomistischer Prozesse}\\
378        (unphysikalische St"orung der Bewegung des einzelnen Atoms)
379 \end{itemize}
380 \end{slide}
381
382 \begin{slide}
383 {\large\bf
384  isothermales isobares Ensemble (NpT)
385 }\\
386 \begin{picture}(350,10)
387 \end{picture}
388 Trick: {\em pressure scaling}
389 \begin{itemize}
390  \item analog zum {\em temperature scaling}
391  \item $p = - \frac{\partial \mathcal{V}}{V}$ (Alternative sp"ater)
392  \item eigentlich {\em volume scaling}
393  \item Berendsen Barostat:
394        \[
395        \mu = \Big[1-\frac{\delta t}{\tau_p}\beta (p_0-p)\Big]^{1/3}
396        \]
397 \end{itemize}
398 \begin{picture}(350,10)
399 \end{picture}
400 Andersen:
401 \begin{itemize}
402  \item modifizierte Bewegungsgleichung
403        (neue Variable $Q$, ${\bf \rho}_i = {\bf r}_i/V^{1/3}$)
404        \[
405        \mathcal{L}(\rho^N,\dot{\rho}^N,Q,\dot{Q})
406                   =\frac{1}{2}mQ^{2/3}\sum_i \dot{\rho}_i^2 -
407                    \sum_{i<j} \mathcal{V}(Q^{1/3} \rho_{ij}) +
408                    \frac{1}{2}M\dot{Q}^2 - \alpha Q
409        \]
410  \item mit $Q=V$: erste 2 Terme $\equiv$ normaler Lagrange-Operator
411  \item Physikalische Interpretation:\\
412        Volumen $Q$ $\equiv$ Koordinate eines fiktiven Stempels
413        mit externen Druck $\alpha$
414  \item Zusammenhang: $V=Q$, ${\bf r}_i=Q^{1/3} \rho_i$,
415        ${\bf p}_i=\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial(\dot{\rho}_i Q^{1/3})} =
416                  m Q^{1/3} \dot{\rho}_i$
417 \end{itemize}
418 {\scriptsize H. C. Andersen. J. Chem. Phys. 72 (1980) 2384.}
419 \end{slide}
420
421 \begin{slide}
422 {\large\bf
423  Die Simulationszelle \& Randbedingungen
424 }\\
425 Simulationszelle:
426 \begin{itemize}
427  \item Ausdehnung in $x,y,z$-Richtung
428  \item meist orthogonale Simulationszelle
429  \item Nullpunkt sinnvollerweise im Mittelpunkt
430  \item in Simulation nur definiert durch Randbedingungen
431 \end{itemize}
432 Randbedingungen:
433 \begin{itemize}
434  \item freie/feste Randbedingungen $\Rightarrow$ Oberfl"acheneffekte\\
435        (Bulk-Eigenschaften nur weit entfernt vom Rand)
436  \item besser: periodische Randbedingungen
437 \end{itemize}
438 \begin{center}
439  \includegraphics[width=12cm]{pbc.eps}
440 \end{center}
441 \end{slide}
442
443 \begin{slide}
444 {\large\bf
445  Beispiele f"ur gemischte Randbedingungen
446 }\\
447 Simulation von Oberfl"achen:
448 \begin{itemize}
449  \item ${\color{gray} \bullet}$ PBC nur in $x,y$-Richtung
450  \item $\bullet$ fixierte Randatome (Bulk)
451  \item ${\color{blue} \bullet}$ Schicht aus Atomen mit $T$-Skalierung
452 \end{itemize}
453 \includegraphics[width=8cm]{surface.eps}
454 \end{slide}
455
456 \begin{slide}
457 {\large\bf
458  $SiC$-Ausscheidung in Silizium
459 }\\
460 \begin{picture}(350,10)
461 \end{picture}
462 \begin{minipage}{8cm}
463 \includegraphics[width=8cm]{sic_prec.eps}
464 \end{minipage}
465 \begin{minipage}{4cm}
466 \begin{itemize}
467  \item Zuf"alliges Hinzuf"ugen von Kohlenstoff\\
468        (schaffrierter Bereich)\\
469        $\Rightarrow$ Energie- und Impulszufuhr in die MD-Zelle
470  \item $T$-Skalierung,\\ Kopplung ans W"armebad\\
471        (blauer Bereich)\\
472        $\Rightarrow$ Energie/Impuls aus der MD-Zelle
473  \item feste Randatome, Bulk\\
474        (schwarzer Bereich)
475 \end{itemize}
476 \end{minipage}
477 \end{slide}
478
479 \begin{slide}
480 {\large\bf
481  Die Zell-Methode
482 }\\
483 Problemstellung: Finden der Nachbarn f"ur Wechselwirkung
484 \begin{itemize}
485  \item intuitive Methode: (f"ur Atom $i$)
486        \begin{itemize}
487         \item gehe alle Atome $j$ durch
488         \item $r_{ij} < r_c$ $\Rightarrow$ berechne WW
489        \end{itemize}
490        $\Rightarrow$ $\mathcal{O}(N^2)$
491  \item Zell-Methode:\\
492        \begin{minipage}{6cm}
493        \begin{itemize}
494         \item MD-Zelle (L"ange $L$) aufteilen in\\
495               $M \times M \times M$ Subzellen\\
496               mit L"ange $l=L/M>r_c$
497         \item Atome in Subzell-Listen eintragen\\
498               $\Rightarrow$ $\mathcal{O}(N)$
499         \item WW mit Atomen aus $27$ Subzellen\\
500               $\Rightarrow$ $\mathcal{O}(27N \frac{N}{M^3})$\\
501               $N/M^3$ Materialkonstante
502        \end{itemize}
503        $\Rightarrow$ $\mathcal{O}(27N \frac{N}{M^3} + N) = \mathcal{O}(N)$
504        \end{minipage}
505        \begin{minipage}{5cm}
506         \includegraphics[width=5cm]{cell_meth.eps}
507        \end{minipage}
508 \end{itemize}
509 \end{slide}
510
511 \begin{slide}
512 {\large\bf
513  Thermodynamische Gr"o"sen
514 }
515 \begin{itemize}
516  \item Innere Energie:
517        \[
518        E = <K> + <U> = < \sum_i \frac{|{\bf p}_i|^2}{2m_i} > + <U({\bf q})>
519        \]
520  \item Temperatur:
521        \[
522        E_{kin}=<K>=\frac{3}{2}Nk_BT
523        \Rightarrow T=\frac{1}{3Nk_B} \sum_i \frac{|{\bf p}_i|^2}{m_i}
524        \]
525  \item Druck
526  \item W"armekapazit"at
527  \item Struktur Werte
528  \item Diffusion
529 \end{itemize}
530 \end{slide}
531
532 \begin{slide}
533 {\large\bf
534  Tersoff
535 }
536 \end{slide}
537
538 \begin{slide}
539 {\large\bf
540  EAM
541 }
542 \end{slide}
543
544 \begin{slide}
545 {\large\bf
546  Albe Reparametrisierung
547 }
548 \end{slide}
549
550 \begin{slide}
551 {\large\bf
552  Zusammenfassung / Ausblick
553 }\\
554 \begin{tabular}{|l|c|lr|}
555 \hline
556 Zusammenfassung & {\em moldyn}-Bibliothek & Ausblick und & Priorit"at \\
557 \hline
558 {\bf Integrator} & & & \\
559 Velocity Verlet & ${\color{green} \surd}$ & & - \\
560 Gear Predictor Corrector & ${\color{red} \times}$ & GEAR-5 & $\bullet\bullet$ \\
561 {\bf Potential} & & & \\
562 Harmonischer Oszillator & ${\color{green} \surd}$ & & - \\
563 Lennard-Jones &$ {\color{green} \surd}$ & & - \\
564 Tersoff/Albe & ${\color{green} \surd\surd}$ & & - \\
565 Tersoff/Albe (inkl. $\lambda^3$) & ${\color{red} \times\times}$ &
566                                  &  $\bullet\bullet\bullet$ \\
567 EAM & ${\color{red} \times}$ & & $\bullet\bullet$ \\
568 {\bf Ensembles} & & & \\
569 {\em temperature scaling} & ${\color{green} \surd}$ & & - \\
570 {\em pressure scaling} & ${\color{green} \surd}$ & & - \\
571 Andersen $T$ & ${\color{red} \times}$ & & - \\
572 Andersen $p$ & ${\color{red} \times}$ & & $\bullet$ \\
573 {\bf Simulationzelle} & & & \\
574 periodische RB & ${\color{green} \surd}$ & & - \\
575 $T,p$-Skalierung pro Atom & ${\color{green} \surd}$ & & - \\
576 {\bf Thermodynamische Gr"o"sen} & einige & viele
577                                 & $\bullet\bullet\bullet\bullet\bullet$ \\
578 \hline
579 \end{tabular}
580 \end{slide}
581
582 \end{document}