naturophysx 2.0.0

Comprehensive Natural Sciences Library - Physics & Chemistry

NaturoPhysX - Comprehensive Natural Sciences Library

NaturoPhysX ist eine umfassende, professionelle Python-Bibliothek für Physik und Chemie. Sie deckt alle wichtigen Bereiche der Naturwissenschaften ab und bietet über 200+ Funktionen für präzise wissenschaftliche Berechnungen.

🎯 Features

🔬 Physik (Physics)

• Klassische Mechanik: Kinematik, Dynamik, Rotation, Gravitation (50+ Funktionen)
• Optik: Geometrische und Wellenoptik, Photonen (30+ Funktionen)
• Elektromagnetismus: Maxwell-Gleichungen, Schaltkreise, Felder (25+ Funktionen)
• Thermodynamik: Wärmeleitung, Zustandsgleichungen, Entropy (30+ Funktionen)
• Strömungsmechanik: Bernoulli, Stokes-Widerstand, Reynoldszahl (25+ Funktionen)
• Akustik: Schallwellen, Doppler-Effekt, Resonanz (20+ Funktionen)
• Quantenmechanik: Schrödinger-Gleichung, Wasserstoffatom, Unschärfe (30+ Funktionen)
• Relativitätstheorie: Lorentz-Transformationen, Schwarzschild-Metrik (35+ Funktionen)
• Astronomie: Orbitalmecanik, Kepler-Gesetze, N-Körper-Problem (25+ Funktionen)

⚛️ Chemie (Chemistry)

• Periodensystem: Atomare Eigenschaften, Elektronegativität, Molare Masse (14+ Elemente)
• Molekulare Eigenschaften: Bindungsanalyse, Bindungsenergien
• Stöchiometrie: Molare Berechnungen, Verdünnungen, Prozentkomposition
• Säure-Base-Gleichgewicht: pH/pOH, Lambert-Yasselbalch, Puffersysteme
• Organische Chemie: Funktionelle Gruppen, Ungesättigungsgrad
• Reaktionskinetik: Arrhenius-Gleichung, Halbwertzeiten, Geschwindigkeitsgesetze
• Thermochemie: Enthalpie, Gibbs-Energie, Spontaneität (spontaneity assessment)
• Redoxchemie: Oxidationszustände, Zellpotential (Nernst-Gleichung)
• Molekulare Simulationen: Lennard-Jones-Potential, MD-Basics

⚡ Installation

PyPI (Empfohlen)

pip install naturophysx

Von Quelle

git clone https://github.com/yourgithub/naturophysx.git
cd naturophysx
pip install -e .

Mit Entwicklungs-Tools

pip install naturophysx[dev]

Für Jupyter/Plotting

pip install naturophysx[jupyter]

🚀 Quick Start

Physik-Beispiel: Klassische Mechanik

from naturophysx import mechanics, constants

# Berechne Geschwindigkeit nach 5 Sekunden
# v = v0 + at, wobei v0=10 m/s, a=2 m/s², t=5 s
velocity = mechanics.kinematics.final_velocity(v0=10, a=2, t=5)
print(f"Endgeschwindigkeit: {velocity} m/s")  # Output: 20 m/s

# Berechne Wurfweite für Projektilbewegung
range_m = mechanics.kinematics.projectile_range(v0=50, theta_deg=45)
print(f"Wurfweite: {range_m:.2f} m")

# Gravitationskraft zwischen zwei Massen
F_gravity = mechanics.gravitation.gravitational_force(
    m1=1e24, m2=1e23, r=1e8
)
print(f"Gravitationskraft: {F_gravity:.2e} N")

Chemie-Beispiel: Stöchiometrie & Säure-Base

from naturophysx.chemistry import periodic_table, stoich, acid_base

# Berechne molare Masse von Wasser (H2O)
h_mass = periodic_table.get_molar_mass("H")
o_mass = periodic_table.get_molar_mass("O")
h2o_mass = 2*h_mass + o_mass
print(f"Molare Masse H2O: {h2o_mass:.2f} g/mol")  # 18.02 g/mol

# Berechne Molarity
moles = 0.5
volume_L = 2.0
molarity = stoich.molarity_calculation(moles, volume_L)
print(f"Molarity: {molarity} mol/L")  # 0.25 mol/L

# Berechne pH einer schwachen Säure
Ka = 1.8e-5  # Essigsäure
pH = acid_base.pH_weak_acid(Ka, acid_concentration=0.1)
print(f"pH: {pH:.2f}")  # ≈ 2.87

Chemie-Beispiel: Reaktionskinetik

from naturophysx.chemistry import kinetics

# Berechne Arrhenius Geschwindigkeitskonstante
# k = A * exp(-Ea / RT)
A = 1e13  # Präexponentieller Faktor [1/s]
Ea = 50000  # Aktivierungsenergie [J/mol]
T = 300  # Temperatur [K]
k = kinetics.rate_constant_arrhenius(A, Ea, T)
print(f"Geschwindigkeitskonstante: {k:.2e} s⁻¹")

# Halbwertzeit für Reaktion 1. Ordnung
half_life = kinetics.first_order_half_life(k)
print(f"Halbwertzeit: {half_life:.2e} s")

Physik-Beispiel: Quantenmechanik

from naturophysx.quantum import quantum_mechanics
from naturophysx import constants

# Wasserstoff Energieniveaus
n = 2
E2 = quantum_mechanics.hydrogen_energy_level(n)
print(f"E2 = {E2:.2e} J = {E2 / constants.E * 1e-19:.2f} eV")

# De-Broglie Wellenlänge
mass = constants.M_E
velocity = 1e6  # m/s
wavelength = quantum_mechanics.de_broglie_wavelength(mass, velocity)
print(f"De-Broglie Wellenlänge: {wavelength:.2e} m")

📚 Module Übersicht

Physik-Module

Modul	Funktionen	Highlights
mechanics	50+	Kinematics, Dynamics, Energy, Momentum, Rotation, Gravitation
optics	30+	Ray optics, Wave optics, Diffraction, Interference
electromagnetism	25+	Maxwell, Circuits, Electromagnetic Fields
thermodynamics	30+	Ideal Gas Law, Heat Transfer, Entropy, Phase Transitions
fluids	25+	Bernoulli, Stokes Drag, Reynolds Number, Turbulence
acoustics	20+	Sound Waves, Doppler Effect, Resonance
quantum	30+	Schrödinger, Hydrogen Atom, Uncertainty, Photons
relativity	35+	Lorentz, Time Dilation, Schwarzschild, Cosmology
astronomy	25+	Kepler's Laws, Orbital Mechanics, N-Body

Chemie-Module

Klasse/Modul	Funktionen	Beispiele
PeriodicTable	4	get_molar_mass(), get_atomic_number(), get_electronegativity()
Molecule	3	Molarmassenberechnung, Elektronenzählung
BondAnalysis	3	Elektronegativitätsdifferenz, Bindungstypen, Bindungsenergien
Stoichiometry	7	Mol↔Gramm, Molarity, Dilution, Prozentkomposition
AcidBaseEquilibrium	6	pH/pOH, Schwache Säuren, Puffer (Henderson-Hasselbalch)
OrganicMolecules	3	Ungesättigungsgrad, Verbrennungswärme
ReactionKinetics	6	Arrhenius, Halbwertzeiten, Konzentrationsgesetze
Thermochemistry	6	Enthalpie, Entropie, Gibbs-Energie, Spontaneität
RedoxChemistry	4	Oxidationszustände, Zellpotential, Nernst-Gleichung
MolecularSimulation	4	Lennard-Jones, VdW-Volumen, MD-Basics

🧮 Physikalische Konstanten

Alle Konstanten sind CODATA 2018 oder aus scipy.constants:

from naturophysx import (
    C,            # Lichtgeschwindigkeit: 299792458 m/s
    H,            # Planck-Konstante: 6.62607015e-34 J·s
    HBAR,         # Reduzierte Planck-Konstante
    K_B,          # Boltzmann-Konstante: 1.380649e-23 J/K
    N_A,          # Avogadro-Zahl: 6.02214076e23 mol⁻¹
    R,            # Universelle Gaskonstante: 8.314462618 J/(mol·K)
    G,            # Gravitationskonstante: 6.67430e-11 m³/(kg·s²)
    E,            # Elementarladung: 1.602176634e-19 C
    EPSILON_0,    # Permittivität des Vakuums
    MU_0,         # Permeabilität des Vakuums
    M_E,          # Elektronenmasse
    M_P,          # Protonenmasse
    SIGMA,        # Stefan-Boltzmann-Konstante
)

📝 Dokumentation

Alle Funktionen haben Google-Style Docstrings:

from naturophysx.quantum import quantum_mechanics

help(quantum_mechanics.hydrogen_energy_level)
# Output:
#     Calculate hydrogen atom energy level
#
#     Energy of nth level: E_n = -13.6 eV / n²
#
#     Args:
#         n (int): Principal quantum number (1, 2, 3, ...)
#
#     Returns:
#         float: Energy in Joules
#
#     Raises:
#         ValueError: If n < 1
#
#     Example:
#         >>> E1 = hydrogen_energy_level(1)
#         >>> print(f"{E1:.2e} J")

🧪 Tests ausführen

# Alle Tests
pytest tests/

# Mit Coverage
pytest --cov=naturophysx tests/

# Nur Chemistry-Tests
pytest tests/test_chemistry.py -v

# Nur Physics-Tests
pytest tests/test_cosmosphysx.py -v

📊 Beispiele

Siehe examples/ für vollständige Demonstrationen:

• quantum_examples.py - Quantenmechanik Berechnungen
• chemistry_examples.py - Chemische Berechnungen & Reaktionen
• mechanics_examples.py - Projektile, Orbits, Kollisionen
• thermodynamics_examples.py - Wärmeleitung, Phasenübergänge

🛠️ Entwicklung

Setup

git clone https://github.com/yourgithub/naturophysx.git
cd naturophysx
pip install -e ".[dev]"

Code Style

black naturophysx/ tests/
pylint naturophysx/

Type Checking

mypy naturophysx/ --ignore-missing-imports

Dokumentation bauen

cd docs/
sphinx-build -b html . _build/

📖 Weitere Ressourcen

• 📚 Vollständige Dokumentation
• 🐛 Issue Tracker
• 💬 Diskussionsforum
• 📋 Changelog

🤝 Beitragen

Wir freuen uns über Beiträge! Bitte:

1. Fork das Repository
2. Erstelle einen Feature Branch (git checkout -b feature/AmazingFeature)
3. Committe deine Änderungen (git commit -m 'Add AmazingFeature')
4. Push zum Branch (git push origin feature/AmazingFeature)
5. Öffne einen Pull Request

📄 Lizenz

Dieses Projekt ist unter der MIT-Lizenz lizenziert - siehe LICENSE für Details.

⭐ Zitationen

Falls du NaturoPhysX in einer wissenschaftlichen Publikation verwendest, zitiere bitte:

@software{naturophysx2024,
  author = {Your Team},
  title = {NaturoPhysX: Comprehensive Natural Sciences Library},
  year = {2024},
  url = {https://github.com/yourgithub/naturophysx}
}

🎓 Für Studieren & Lerner

NaturoPhysX ist ideal für:

• 🏫 Gymnasien & Universitäten (Physik/Chemie Vorlesungen)
• 📖 Selbststudium & Hausaufgaben
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• 👨‍💻 Numerische Simulationen
• 📊 Datenanalyse

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• Genauigkeit: Alle Funktionen verwenden SI-Einheiten wenn nicht anders angegeben
• Fehlerbehandlung: Ausnahmen werden für ungültige Eingaben geworfen
• Performance: Optimiert für genaue Berechnungen, nicht für extreme Performance
• Validierung: Getestete Formeln gegen wissenschaftliche Referenzen

📧 Support

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