熱力学

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熱力学は, 力学・電磁気学と共に古典物理学の基礎を構成する。膨大な数の原子・分子
等のミクロな粒子の集団から成るマクロな物質の状態を、温度、圧力, 体積などのマク
ロな物理量を用いて記述し, いくつかの基本原理をもとに, マクロな観点から物質の状
態がいかに変化するかを考察する学問体系である。
講義では、熱の概念、温度の概念の導入から始まり、熱力学第一法則、第二法則の意
味や意義を正しく理解し、熱機関やエントロピーについての操作や計算法を習得する。

物理学概論第二、化学概論第一

なし

教科書:伊東敏雄著 なるほどの熱学(学術図書出版)
参考書:野村・川泉共編 理工系学生のための化学基礎(学術図書出版)
三宅哲著 熱力学(裳華房)
三宅哲著 基礎演習シリーズ 熱力学(裳華房)
佐野瑞香 化学熱力学(裳華房)

授業の概要
講義では以下の概念をキーワードに熱力学を解説し、理解を促す。
1)熱とは何か？
エネルギーにはいろいろな形態があるが、中でも熱エネルギーは特別な性質を持つ。他のエネルギー(電気的, 力学的, 化学的, 原子力等)は全て、熱エネルギーに変換できるが、その逆は成り立たない。
2)温度とは何か？
熱エネルギーを測定する目安に、我々は日常的に「温度」を用いている。ところが、「力学」や「電磁気学」ではどこにも温度という言葉は出てこない。使われる物理量の単位は m, kg. sec, A であり、Kや℃は登場しなかった。
3) 熱力学第一法則
様々な形のエネルギーの相互の関係を理解する。
4)熱力学第二法則
熱を伴う状態変化の向きには決まりがある。
5)エントロピーとは何か？
乱雑さを計るエントロピーはどのように定義され、どのように計算されるのか。

授業計画
第1回:熱平衡と温度
第2回:偏微分と状態方程式
第3回:熱力学第一法則
第4回:断熱変化、熱容量、理想気体の等温過程・断熱過程
第5回:カルノーサイクル
第6回:熱力学第二法則
第7回:カルノーの定理、熱力学的温度
第8回:クラウジウスの不等式とエントロピー
第9回:可逆過程のエントロピー変化
第10回:エントロピー増大の法則、不可逆過程のエントロピー変化
第11回:熱力学関数、自由エネルギー
第12回:熱力学関係式、Maxwell関係式、熱力学第三法則
第13回:物質の状態変化、共存曲線、
第14回:クラウジウス・クラペイロンの式、相転移温度と圧力
第15回:ギブスの相律、ファンデルワールスの状態方程式
(時間があれば分子運動論の基礎)

各回の内容は前後する場合がある。

スライドを使って講義する。スライドの予告版をGoogle Classroomに掲示するので予習等に使用すると良い。講義終了後は講義で使用したスライドを掲示する予定である。
毎回の出欠を、スマートフォン等を利用したクイズにて集計する。
ほぼ隔回でレポート課題(宿題)を出題する。

授業の前後にスライド資料を用い、対応する教科書を一読すること。
なお、Google Classroomに掲示されているスライド資料(予告版)にはいくつかの
空欄を作ってある。これらは予習として調べておき、講義内にそれを確認すること。
教科書の演習問題は、課題以外の問題も学習すること。

評価方法:講義には毎回出席していることを前提とする。
毎回のクイズ、宿題(計8回予定)の採点結果を、期末試験と
合わせて評価する。 (期末60%程度)

評価基準:次の3点が合格となる最低の基準である。
1)定積熱容量と定圧熱容量の違いを説明できること。
2)可逆熱機関の諸過程(断熱過程, 等温過程等)での状態量の変化を正しく説明できること。
3)不可逆過程のエントロピーを正しく計算できること。

水曜日第5時限
その他の日時でも随時質問などに対応するが、あらかじめメールなどで連絡をしておいてほしい。
Google Classroomでのコメント、メールでの質問も受け付ける。

疑問が湧いたらその都度質問すること. 教室での授業は一方的であってはならない.
講義中に質問が出ること事を大いに期待します.

なし