2023年 理工学部 シラバス - 教養教育・外国語・保健体育・共通基礎
設置情報
科目名 |
熱とエントロピーの物理学
熱現象の物理入門
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設置学科 | 一般教育 | 学年 | 1年 |
担当者 | 鈴木 徳一 | 履修期 | 前期 |
単位 | 2 | 曜日時限 | 水曜5 |
校舎 | 船橋 | 時間割CD | S35D |
クラス | |||
履修系統図 | 履修系統図の確認 |
概要
学修到達目標 | 物質は膨大な個数の原子、分子から成り立っている。個々の粒子の運動は複雑であるが、統計的観点からみると、非常にシンプルな巨視的法則が存在する。これが熱力学と呼ばれる物理法則体系である。本講座では、この理工系物理学の基礎のひとつである、熱力学の習得を目標とする。 本授業科目はDP1・3及びCP1・3に該当しています。 |
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授業形態及び 授業方法 |
「対面授業」 理論の数学的側面と物理的側面のバランスをとりながら、この分野への入門となるよう留意して講義を進める。適宜、演習を行い、深い理解に到達できるようにする。 |
履修条件 | 共通基礎選択。並行して微分積分学、力と運動の物理学Iまたは物理学Iを履修していることが望ましい。 |
授業計画
第1回 | ガイダンスと熱力学の発展史。 理工学部で物理学を学ぶ中での「熱力学」の位置づけ。 【事前学習】第1回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第1回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
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第2回 | 熱平衡と温度(熱力学第0法則)。熱運動と温度。 【事前学習】第2回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第2回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第3回 | 状態変数と状態方程式。理想気体。 理想気体の状態方程式の実験結果からの導出。 【事前学習】第3回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第3回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第4回 | 気体分子運動論:理想気体の状態方程式の理論的導出。ドルトンの分圧の法則。 力学の復習(ニュートンの運動の3法則、力積と運動量)。 【事前学習】第4回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第4回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第5回 | 熱力学第1法則(仕事、内部エネルギー、熱量)。 準静的過程。状態量。 内部エネルギーが状態量であること。仕事が状態量でないこと。 【事前学習】第5回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第5回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第6回 | 熱力学第1法則。熱源(熱浴)に接触する系。 様々な準静的過程(等温過程、定圧過程、定積過程)。熱量が状態量でないこと。 トピックス:マイヤーが熱力学第1法則の着想に至るまで。 【事前学習】第6回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第6回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第7回 | 熱容量と比熱。第1法則の理想気体への応用。 定積モル比熱と定圧モル比熱をなぜ導入するのか。 偏微分と全微分。 【事前学習】第7回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第7回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第8回 | 多原子分子理想気体。エネルギー等分配則の紹介。 準静的断熱過程と第1法則。ポアソンの関係式。 【事前学習】第8回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第8回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第9回 | カルノーサイクル。 ジュール・トムソン過程。 【事前学習】第9回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第9回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第10回 | 熱力学第2法則。 可逆過程と不可逆過程。クラウジウスの原理とトムソンの原理。 【事前学習】第10回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第10回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第11回 | クラウジウスの不等式(第2法則の数学的表現) 熱機関の効率。可逆熱機関。熱力学的温度。 【事前学習】第11回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第11回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第12回 | エントロピー(1) エントロピーが状態量であること。様々な準静的過程におけるエントロピー変化。 【事前学習】第12回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第12回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第13回 | エントロピー(2) カルノーサイクルにおけるエントロピー。 示量変数と示強変数。不可逆過程におけるエントロピー変化(エントロピー増大の法則)。 カラテオドリの原理。 【事前学習】第13回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第13回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第14回 | エントロピー(3) 不可逆過程とエントロピーの確率論的意味。 ボルツマンエントロピー。様々なエントロピー変化のマクスウェル分布による定性的考察。 【事前学習】第14回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。(60分) 【事後学習】配布の演習プリント、講義ノート、参考書を用いて、第14回目の内容について復習しておくこと。(180分) |
第15回 | 平常試験及びその解説 【事前学習】第1回目から第14回目の内容の学修(240分) |
その他
教科書 |
指定しない。適宜資料を配布。
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参考書 |
戸田盛和 『熱・統計力学』 岩波書店
エンリコ・フェルミ 『フェルミ熱力学』 三省堂 1973年
朝永振一郎 『物理学とは何だろうか 上、 下』 岩波書店
原島 鮮 『熱学演習-熱力学』 基礎物理学選書18 裳華房
糸井千岳、糸井充穂、鈴木正 『明解 熱力学』 共立出版 2023年
他の参考書については授業中に指示する。
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成績評価の方法 及び基準 |
平常試験(6割程度)及び平常点(4割程度)による。 通常の授業への取り組みかた(毎回の授業復習用レポート課題の提出状況と内容)を“重視”する。 |
質問への対応 | オフィスアワー:水曜日 午後0時15分~午後1時15分(1号館 2階 122B室)。 その他、おもに、月、水曜日に質問を受け付けます。 質問用メールアドレスは、講義時にお知らせします。 |
研究室又は 連絡先 |
1号館・2階・122B研究室 |
オフィスアワー |
水曜 船橋 12:15 ~ 13:15
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学生への メッセージ |
必ず毎回授業に出席すること。授業に出席する際、必ず自分の手でノートをとること。レポート提出後も復習をすること。 |