Способ и система моделирования в виртуальных лабораториях по молекулярной физике и термодинамике

1. Компьютерно-реализуемый способ моделирования в виртуальных лабораториях по молекулярной физике и термодинамике, выполняемый на компьютерной системе включающей, по крайней мере, один процессор, оперативную память, причем процессор считывает машиночитаемые инструкции, содержащие этапы, на которых инициализируют с использованием процессора посредством выполнения хранящихся в памяти машиночитаемых инструкций, симулятор, осуществляющий симуляцию взаимодействия объектов виртуального пространства, поведения симулируемых объектов, создания и удаления термодинамических объектов за один итерационный цикл симуляции и инициализируют блок создания и удаления объектов виртуального пространства, выполненный с возможностью последовательного перебора добавляемых в виртуальное пространство контейнеров, причем контейнер является структурой в формате цифровой сущности в виде емкости формы цилиндра и содержит стенки, нижнюю и верхнюю крышки, содержащей список расположенных в нем веществ и вещество стенок контейнера, расположения контейнера в виртуальном пространстве, а также значение степени открытости/закрытости верхней и/или нижней крышек, размещающихся на верхнем и нижнем конце контейнере соответственно, а также высоту и диаметр цилиндра, описывающего форму контейнера, ссылку на вставленный внутрь контейнера другой контейнер при его наличии, ссылку на источник тепла, взаимодействующий с контейнером при его наличии, причем крышки могут находиться в полностью или частично закрытом или полностью или частично открытом положении, и  при открытии крышек контейнер может быть полностью или частично заполнен или полностью или частично опустошен, в том числе в зависимости от расположения контейнера в виртуальном пространстве и оказываемых воздействий на контейнер и вещества и объекты, которые могут заполнить или освободить контейнер, и в виде стенок контейнера, выполненного из задаваемого вещества, из которых состоят объекты виртуального пространства, окружающая среда, и которые вмещают в себя контейнеры,  и запускают итерационный цикл симуляции, причем на каждом итерационном цикле осуществляется получение текущего состояния, на входе, симулируемых на текущей итерации объектов виртуального пространства, включающего параметры объектов, и формируется состояние на выходе в формате параметров объектов, в котором:
- итеративно перебирают контейнеры для веществ для последовательного перебора контейнеров веществ, причем итеративно для каждого из контейнеров применяют симулирование перемещения количества вещества между контейнерами, рассчитанного на предыдущей итерации, причем каждую итерацию осуществляют вычисление количества перенесённого вещества между контейнерами с учетом того количества вещества, которое было перенесено на предыдущей итерации, где перенос осуществляют в начале следующей итерации, причем на предыдущей итерации вычисляется количество каждого вещества, которое должно переместиться из одного контейнера в другой, и вычисленное для перемещения количество для каждого из веществ вычитается из количества каждого из веществ контейнера, из которого осуществляется перемещение вещества, и в контейнере, в который вещества добавляются, для каждого из веществ количество каждого из веществ прибавляется к существующему в контейнере количеству для соответствующего вещества, причем если добавляемое вещество отсутствует в контейнере, в который осуществляется перемещение, то в таком контейнере в список веществ, содержащихся в контейнере, добавляется добавляемое вещество в вычисленном на предыдущей итерации количестве;
-  итеративно перебирают контейнеры для веществ для последовательного перебора контейнеров веществ, причем итеративно сортируют вещества в контейнерах по плотности от большей плотности к меньшей плотности, причем после вещества размещаются в контейнере снизу-вверх от вещества с самой высокой плотностью до вещества с наименьшей плотностью; итеративно объединяют разные расчетные объемы одного вещества в единый объем, а также итеративно  определяют изолированные группы, контактирующих между собой веществ, формирующие группы теплового взаимодействия, являющиеся набором соприкасающихся друг с другом веществ, способных передавать теплоту между собой, причем процесс передачи теплоты осуществляется внутри такой группы, и итеративно рассчитывают занимаемое каждым веществом пространство;
- итеративно перебирают группы теплового взаимодействия, причем итеративно перебирают вещества в группе, где в процессе такого перебора итеративно определяют количество тепла полученного или отданного веществом для получения температурного равновесия внутри группы теплового взаимодействия и итеративно  добавляют расчетное количество теплоты к потенциальному количеству изменяемой в текущей итерации теплоты;
- итеративно перебирают контейнеры для веществ, причем итеративно проверяют наличие у контейнера внешнего источника тепла и в случае установления его наличия добавляют к потенциальному количеству изменяемой в текущей итерации теплоты нижнего вещества теплоты, произведенной внешним источником в текущей итерации, и добавляют к веществу или отнимают у вещества стенок контейнера количество теплоты пропорционально разнице температур стенок контейнера и окружающей среды и коэффициенту теплопередачи в процессе теплопередачи с окружающей средой между контейнером и воздухом окружающей среды, а в случае установления отсутствия у контейнера внешнего источника тепла добавляют к веществу или отнимают у вещества стенок контейнера количество теплоты пропорционально разнице температур стенок контейнера и окружающей среды и коэффициенту теплопередачи между контейнером и воздухом;
- итеративно перебирают контейнеры для веществ, причем итеративно  перебирают вещества в контейнере, где в процессе такого перебора итеративно применяют рассчитанное в итерации количество теплоты к веществу и итеративно определяют результирующую температуру вещества и количество вещества, перешедшего в другое агрегатное состояние;
- итеративно перебирают контейнеры для веществ, причем итеративно перебирают газообразные вещества в контейнере, где  итеративно определяют тепловое давление газа; итеративно проверяют на герметичность контейнер, причем если контейнер герметичен, то переходят к следующей итерации итеративного перебора газообразных веществ в контейнере, а если контейнер не герметичен, то определяют изменение количества вещества, необходимого для выравнивания давления с окружающей средой и итеративно применяют рассчитанное изменение количества вещества;
- итеративно перебирают контейнеры, содержащие вставленные контейнеры, причем итеративно рассчитывают разницу давления между веществом внешнего контейнера на уровне низа вставленного контейнера и давлением вещества внутреннего контейнера на уровне низа этого контейнера; итеративно рассчитывают количество перемещаемого вещества между внутренним и внешним контейнером, так чтобы давление столба этого количества вещества соответствовало разности давлений; для перемещения вещества из контейнера, являющегося источником перемещения вещества, в контейнер, являющегося приемником перемещаемого вещества и для изменения давления до момента установления факта отсутствия изменения давления итеративно маркируют умноженное на итерационный коэффициент количество вещества для его перемещения на следующей итерации; и итеративно проверяют изменение направления перемещения вещества в процессе расчёта равновесного давления, причем если направление перемещения вещества не поменялось в процессе расчета равновесного давления, то переходят к следующей итерации перебора контейнеров, содержащих вставленные контейнеры, а если направление перемещения вещества поменялось в процессе расчета равновесного давления, то уменьшают итерационный коэффициент;
- итеративно перебирают контейнеры для веществ, причем итеративно проверяют, открыт ли контейнер снизу, и если нет, то итеративно проверяют, выходит ли размещение веществ в контейнере за границы контейнера и если размещение веществ в контейнере не выходит за границы контейнера, то проверяют, не доходит ли размещение веществ в контейнере до границы контейнера, и если размещение веществ в контейнере доходит до границы контейнера, то выполняют следующую итерацию перебора контейнеров для веществ, а еслиразмещение веществ в контейнере не доходит до границы контейнера, то проверяют контейнер на герметичность и если контейнер не герметичен, то добавляют в контейнер вещества окружающей среды в количестве, соответствующем незаполненному объёму, а если контейнер герметичен, то расширяют вещество в газообразном состоянии и пропорционально понижают его давление, а если размещение веществ в контейнере выходит за границы контейнера, то удаляют количество вещества, соответствующего выходящей за границы части, в противном случае, если контейнер открыт снизу, то итеративно перебирают не газообразные вещества в контейнере, причем итеративно удаляют вещество из контейнера;
- итеративно перебирают контейнеры, причем итеративно рассчитывают параметры контейнера на основе параметров окружающей среды; и
- формируют и предъявляют результаты симуляции в виде наборов данных и визуализированных результатов симуляции.
2. Способ по п.1, в котором итерационный цикл симуляции включает, по крайней мере, один из следующих циклов перебора составляющих виртуального пространства:
- перемещение симулируемых веществ из объектов содержащих симулируемые вещества;
- сортировка симулируемых веществ по плотности, объединение объемов симулируемых веществ в группы, определение изолированных групп, расчет занимаемого пространства;
- расчет теплового обмена;
- расчет внешнего источника тепла;
- проверка симулируемых веществ на переход из одного агрегатного состояния в другое и связанные с таким переходом расчеты;
- расчет смены давления симулируемых веществ, с учетом расположения в контейнере и свойств самого контейнера;
- уменьшение итерационного коэффициента в цикле для предотвращения бесконечных переходов веществ из одних контейнеров в другие для приведения к равновесию систему контейнеров, вложенных друг в друга, включая изменение веществом в них направления перемещения каждый цикл;
- проверка на удаление, расширение и повышение или понижение давления вещества при герметичности или негерметичности контейнера;
- расчет параметров контейнера с использованием параметров окружающей среды.
3. Способ по п.1 , в котором перед запуском итерационного цикла симуляции задают размеры итерации тика времени и инициализируют математические модели, описывающие поведения моделируемых объектов, в том числе с использованием физических и химических параметров объектов с использованием параметров взаимодействия объектов виртуального пространства посредством выраженные, по крайней мере, одним набором управляющих воздействий, объединенных в управляющие цифровые сущности, сформированные для объектов виртуального пространства, причем параметры взаимодействия объектов задают способами взаимодействия, по крайней мере, одного объекта виртуального пространства, по крайней мере, с одним другим объектом виртуального пространства с использованием физических и химических законов взаимодействия объектов, определяемых соответствующими формулами в формате цифровых сущностей.
4. Способ по п.1, в котором объектом виртуального пространства является термодинамический объект.
5. Способ по п.1, в котором расчеты для всех веществ осуществляют каждый цикл итерации.
6. Способ по п.1, в котором параметрами объектов виртуального пространства являются температура, давление, масса, объём.
7. Способ по п. 6, в котором параметры объектов и/или веществ объектов формируются в группы параметров объектов и обработка параметров объектов осуществляется посредством обработки параметров, входящих в группу, и после, по крайней мере, одного цикла симуляции результаты обработки параметров группы объектов формируются в другую группу параметров объекта.
8. Способ по п. 1, в котором между веществом структуры контейнера, из которого сделан контейнер, и веществом окружающей среды осуществляется теплообмен.
9. Способ по п.1, в котором сформированные наборы данных результатов симуляции содержат опровержение или подтверждение различных теорий и гипотез, сформированные уточнения, поправки в существующие законы в формате цифровых сущностей, и/или содержат вычисленные поправочные коэффициенты, добавления и корректировки поправочных коэффициентов с использованием известных формул.
10. Способ по п.1, в котором сформированные результаты симуляции в виде наборов данных формируют результаты экспериментальных или исследовательских работ, выполненных в виртуальном пространстве.
11. Способ по п.1, в котором сформированные результаты симуляции передаются в память вычислительного устройства и используются для дальнейшей обработки данных для повышения точности вычислений.
12. Способ по п.1, в котором осуществляется распознавание сформированных результатов симуляции и осуществляется генерирование выходных сигналов для управления устройствами и формирования отображения на экранах вычислительных устройств для демонстрации результатов симуляции виртуального эксперимента с целью имитации такого эксперимента
13. Способ по п.1, в котором результаты симуляции включают, по крайней мере, вычисленные набор веществ и их параметры, включающие количество/массу, давление, объём, температуру для каждого из контейнеров.
14. Способ по п.1, в котором контейнеры добавляются в виртуальное пространство пользователем или в автоматизированном режиме.
15. Система моделирования в виртуальных лабораториях по молекулярной физике и термодинамике включает по крайней мере:
- модуль создания и добавления объектов виртуального пространства, выполненный с возможностью создания виртуальных объектов с использованием заданных параметров и с возможностью добавления созданных объектов виртуального пространства в виртуальную рабочую область, являющуюся частью виртуального пространства, в которой размещаются виртуальные объекты и в которой осуществляются манипуляции виртуальными объектами пользователем или средствами системы в автоматизированном режиме и осуществляются взаимодействия между такими виртуальными объектами, а также манипуляции и взаимодействия с такими виртуальными объектами, а также симуляция взаимодействия между объектами виртуального пространства согласно заданным параметрам взаимодействия, причем для размещения и манипуляций с виртуальными объектами, являющимися цифровыми представлениями объектов реального мира, создается  виртуальная область, где виртуальное пространство, в том числе, по крайней мере, одна его часть, в том числе виртуальные объекты, используется для размещения виртуальных объектов и манипуляций с виртуальными объектами, включая взаимодействие объектов между собой, с окружающей средой, управляемой модулем окружающей среды;
- модуль задания параметров виртуальных объектов, выполненный с возможностью задания параметров виртуальных объектов в автоматизированном режиме и/или пользователем с использованием данных из базы данных, содержащей данные, описывающие объекты реального и/или виртуального мира, в том числе их характеристики и/или с использованием данных, полученных с использованием средств ввода данных;
- модуль задания параметров взаимодействия объектов виртуального пространства, выполненный с возможностью задания параметров взаимодействия между объектами виртуального пространства с использованием, по крайней мере, одного набора управляющих воздействий, объединенных в управляющие цифровые сущности, сформированные для определенного типа объектов виртуального пространства, где упомянутым управляющим воздействием является возможность пользователя при помощи визуального интерфейса задавать взаимодействия между виртуальными объектами, и упомянутые параметры взаимодействия задаются алгоритмами взаимодействия, по крайней мере, одного виртуального объекта, по крайней мере, с одним другим виртуальным объектом с использованием физических и химических законов взаимодействия объектов, определяемых соответствующими формулами в формате цифровых сущностей.
- модуль управления объектами виртуального пространства и взаимодействия между объектами виртуального пространства, выполненный с возможностью управление объектами виртуального пространства в автоматизированном режиме и/или пользователем, где управление объектами включает возможность перемещения виртуальных объектов по виртуальному пространству, в том числе с использованием средств ввода данных, в том числе для осуществления взаимодействия между виртуальными объектами с возможностью выбора пользователем и/или в автоматизированном режиме типа взаимодействия, в том числе в зависимости от доступных типов взаимодействия;
- модуль симуляции взаимодействия объектов виртуального пространства, выполненный в возможностью симуляции взаимодействий между объектами виртуального пространства согласно заданным параметрам взаимодействия и определение возможных взаимодействий из типов взаимодействий, в том числе физически корректных с соблюдением заданных физических законов, в том числе с использованием заданных, в том числе выбранных пользователем и/или средствами системы, типов взаимодействий, и осуществляется обработка результатов взаимодействия виртуальных объектов в зависимости от параметров объектов виртуального пространства, параметров взаимодействия виртуальных объектов, сформированных в формате цифровых сущностей в виртуальном пространстве, где обработка результатов осуществляется виртуальных объектов или при взаимодействии виртуальных объектов между собой;
- модуль предъявления объектов виртуальной среды, взаимодействия объектов виртуальной среды и результатов взаимодействия объектов виртуального пространства, выполненный с возможностью предъявления объектов виртуальной среды, взаимодействия объектов виртуальной среды и результатов взаимодействия объектов виртуального пространства, включая отображение процессов, результатов процессов, в том числе связанных с параметрами объектов, включая изменение формы, цвета объектов;
- модуль хранения данных, выполненный с возможностью сохранения состояния и  параметров процесса симуляции во времени, состояния или части и параметров виртуального пространства, объектов виртуального пространства и их параметров, причем модуль хранения данных включает хранилище данных или связано с хранилищем данных, а также выполненный с возможностью сохранения типов виртуальных объектов, неизменяемых параметров объектов, точек, указанных в полигональной сетке объекта, где находится зона взаимодействия, типов взаимодействий, связанных с точками взаимодействий, допустимых для каждого типа объекта через заранее определенные сценарии взаимодействия, названий объектов, индивидуальных изменяемых расчетных параметров объектов, индивидуальных изменяемых физических параметров объектов, и выполненный с возможностью сохранение данных в момент времени для передачи таких данных для обработки в следующий момент времени или для получения данных измерителей и вывода данных для предъявления пользователю через виртуальные объекты;
- модуль расчета логической модели, выполненный с возможностью расчета и визуализация эффектов от изменения состояния, температуры, объема, давления, расположения относительно других объектов симуляции и расположения в виртуальном пространстве  аналогично реакциям в реальном мире, а также выполненный с возможностью представления визуализированной модели поведения моделируемых объектов, включая логическое поведение и расчет поведения объектов симуляции с симулируемой моделью окружающей среды;
- модуль окружающей среды, являющийся частью симулируемой модели и влияет на поведение объектов и их изменяемые параметры;
- модуль расчета теплообмена, выполненный с возможностью сохранения предыдущего состояния теплоты у виртуального объекта и симуляции перехода теплоты симулируемых веществ внутри виртуального объекта с другими симулируемыми веществами, с симулируемыми веществами внутри другого виртуального объекта и с модулем окружающей среды с использованием взаимодействий, описываемых формулами;
- модуль расчета и определения изменений вещества, выполненный с возможностью расчета и определения изменений вещества при взаимодействии с внешними источниками тепла с симулируемым влиянием окружающей среды, симулируемым влиянием разных видов симулируемых веществ в виртуальных объектах и симулируемых веществ в виртуальных объектах внутри других объектов с использованием формул;
- модуль расчета логики поведения и расчета перехода симулируемых веществ в разные агрегатные состояния, выполненный с возможностью расчета логики поведения симулируемых веществ и перехода в разные агрегатные состояния под влиянием окружающей среды, параметры которой контролируются и задаются модулем окружающей среды, а также под влиянием симулируемых внешних источников тепла их параметров и внутревставленных объектов с симулируемыми веществами;
- модуль расчета давления симулируемых веществ, выполненный с возможностью расчета давления симулируемых веществ в объектах и во вставленных объектах в объекты, в зависимости от параметров окружающей среды, контролируемых и изменяемых модулем окружающей среды, а также в зависимости от внешних источников тепла, включая их параметры, возможные взаимодействия, с учетом перехода симулируемого вещества в другое агрегатное состояние, а также выполненный с возможностью расчета выхода симулируемого вещества из объекта и его замещение симулируемым веществом из окружающей среды, контролируемой модулем окружающей среды, в зависимости от параметров, передаваемых модулем окружающей среды, с использованием формул;
- модуль уменьшения итерационного коэффициента ,выполненный с возможностью хранения неизменяемые параметров и логику уменьшения частоты обмена симулируемыми веществами, вставленными друг в друга объекта в объект, и регулирования количества изменений для симуляции соответствующих реальным физических свойств симулируемых веществ, и выполненный с возможностью отслеживания за тем, какое направление задано в веществе, включая направление переливания жидкого вещества из одного виртуального объекта в другой, запоминания и сравнения со следующим на протяжении заданного количества итераций, причем если на протяжении заданного количества итераций переход осуществлялся не в одну и ту же сторону, то коэффициент переноса вещества уменьшается в заданное количество раз и меньшими шагами осуществляется итерация с уменьшением количества перемещаемого вещества в коэффициент количества раз относительно расчётного, при этом если направление перехода сохранялось более заданного количества итераций, то коэффициент переноса вещества приравнивается единице в связи с исчезновением необходимости уменьшения итерационных шагов;
- модуль определения и расчета удаления, расширения и повышения или понижения давления вещества, выполненный с возможностью определения и расчета удаления, расширения и повышения или понижения давления вещества в герметичной или негерметичной системе объекта, содержащего симулируемые вещества, в том числе, определения количественного значения потерянного количества симулируемых веществ в объекте, а также выполненный с возможностью выведения симулируемого вещества в указанных количествах из объекта, а также выполненный с возможностью расчета итогового получаемого симулируемого давления в объекте, проверки на состояние доступа объекта к модулю окружающей среды и замещения в объекте удаленного симулируемого вещества веществами модуля окружающей среды;
- модуль расчета итоговых характеристик объекта, выполненный с возможностью расчета итоговых характеристик виртуальных объектов, содержащих в себе симулируемые вещества, с использованием вывода параметров модуля окружающей среды, причем модуль расчета итоговых характеристик виртуальных объектов получает и сохраняет параметры каждую итерацию и по завершении итерации формируются итоговые характеристики виртуальных объектов.
16. Система по п. 15, в которой параметры виртуальных объектов включают физические и химические свойства объектов виртуального пространства, соответствующие, по крайней мере, физическим и химическим свойствам объектам реального мира, и включают, по крайней мере, один набор неизменяемых параметров и, по крайней мере, один набор изменяемых параметров виртуальных объектов, где набор неизменяемых параметров включает, по крайней мере, тип объекта, точки в полигональной сетке объекта, в которой находится, по крайней мере, одна зона взаимодействия такого объекта, типы взаимодействий, связанные с точками взаимодействий, допустимых для каждого типа объекта, а набор изменяемых параметров включает, по крайней мере, название объекта, расчетные параметры объекта, изменяемые физические параметры объекта.
17. Система по п. 15, в которой виртуальной областью является плоскость в виртуальном пространстве, на которой размещают виртуальные объекты и на которой осуществляются манипуляции с виртуальными объектами, а также на которой предъявляется информация пользователю, включая сообщения, предупреждения, а также виртуальные приборы.
18. Система по п. 16, в которой модуль симуляции взаимодействия объектов виртуального пространства выполнен с возможностью управления процессом симуляции проведения лабораторной работы или исследовательской работы во времени с управлением временем внутри эксперимента, в том числе посредством его замедления или ускорения с целью наблюдения протекающих с высокой скоростью процессов или занимающих длительное время, и выполнен с возможностью фиксирования состояния процесса симуляции проведения лабораторной работы или исследовательской работы во времени, а также с возможностью фиксирования состояния процесса симуляции проведения лабораторной или исследовательской работы для его сохранения с последующим восстановлением с сохраненного момента времени в модуле хранения данных, а также выполнен с возможностью сохранения в модуле хранения данных состояния виртуального пространства или его части, включая объекты виртуального пространства, процессов и т.д., включая процесс симуляции с параметрами процесса, объектами, параметрами виртуальных объектов, состояний объектов и выполненный с возможностью восстановления состояния процесса симуляции к сохраненному в модуле хранения данных состоянию пользователем или в автоматизированном режиме, и выполненный с возможностью записи, непрерывной или с заданными промежутками времени, симуляции с виртуальными объектами, параметрами, в том числе для возможности возврата к одному из сохраненных состояний, в том числе во времени или характеристик состояния до начала взаимодействия, после завершения одного из этапов симуляции.