2024年 理工学部 シラバス - 物理学科
設置情報
| 科目名 | 熱力学 | ||
|---|---|---|---|
| 設置学科 | 物理学科 | 学年 | 2年 |
| 担当者 | 糸井 千岳 | 履修期 | 後期 |
| 単位 | 2 | 曜日時限 | 木曜2 |
| 校舎 | 駿河台 | 時間割CD | M42N |
| クラス | |||
| 履修系統図 | 履修系統図の確認 | ||
概要
| 学修到達目標 | 熱力学に関する諸法則を実験事実に基づいて解説し、平衡状態での状態の記述、平衡状態間の過程についての熱力学の法則についての理解を深める。 |
|---|---|
| 授業形態及び 授業方法 |
解答付きの演習問題を多く含む教科書に沿って講義を行うので、教科書を購入し演習問題を解きながら学習すること。問題に正解するだけで満足せず、熱力学の本質的な部分を論理的に熟考し理解してほしい。講義は黒板の板書を中心に行うが、図などを含むスライドの投影も行う。スライドのコピーは後でアップロードするので、板書のノートを取って受講すれば良い。 |
| 履修条件 | 多変数関数の微積分および力学の基礎 |
| ディプロマ・ポリシー（DP）及びカリキュラム・ポリシー（CP）との関連 | 本科目はDP3及びCP3に該当している。 |
授業計画
| 第1回 | 熱力学の設定（平衡状態、状態の記述と状態方程式の存在、熱、熱容量、温度、量の定義と単位について学ぶ。） SI単位において、2019年から多くの物理量の定義が変わったので注意すること。 | 産総研のホームページなどでSI単位の解説を見て予習復習に利用するとよい。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
|---|---|---|---|
| 第2回 | 熱力学における環境、操作、状態の変化について解説する。 | 教科書1,1から1.8まで予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第3回 | 系の行う力学的仕事と吸収する熱について学ぶ。 ここから定量的になるので、復習に2時間以上必要であると思われる。 | 教科書1.9から1.12まで予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第4回 | 熱力学の第1法則（準静的過程など、いろいろな過程での熱力学量の計算練習を行う。） | 教科書2.1から2.3まで予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第5回 | 準静的断熱過程 | 教科書2.4と2.5を予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第6回 | 熱力学の第2法則（断熱過程での可逆過程の定義と断熱周期過程における内部エネルギー増大の原理であるPlanckの原理から不可逆過程の存在を確認する。） ここから、非常に論理的な概念が導入され始める。熱力学の第2法則（エントロピーを定義し、理想気体のエントロピーを状態の関数として求める。） ここから不可逆性に関して定量的かつ論理的な議論となる。 | 教科書3.1から3.3まで予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第7回 | 熱力学の第2法則（理想気体に対するエントロピー増大の法則をPlanckの原理から導く。力学系と相互作用する熱力学系など、様々な不可逆過程の終状態を求める例題を解き、エントロピー増大の法則を確認する。） | 教科書3.4と3.5を予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第8回 | 熱力学の第2法則（一般の系に対するエントロピーのClausius等式とエントロピー増大の法則を証明する。） | 教科書3.5から3.7まで予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第9回 | 熱力学の第2法則（Kelvinの原理と最大仕事の原理を証明する。） | 教科書4.1と4.2を予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第10回 | 熱機関（Carnotサイクルを学び、Carnotの定理を証明する。） | 教科書4.3を予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第11回 | 中間試験（２０分程度） Helmholts自由エネルギーを定義し，平衡状態から環境を変化させた場合の平衡状態への漸近を議論する． | 今までの復習をすること。宿題を解いて復習をすること。 | 受験勉強に8時間程度、 復習に１時間程度かけること。 |
| 第12回 | Gibbs自由エネルギーを定義し，平衡状態から環境を変化させた場合の平衡状態への漸近を議論する． | 教科書5.1と5.2を予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第13回 | 熱力学量としての物質量を取り扱い、化学ポテンシャルを導入する。また、グランドポテンシャルが定義される。 | 教科書5.4を予習せよ。宿題を解いて復習をすること。 | 予習に1時間、復習に１時間程度かけること。 |
| 第14回 | 期末試験 | 今までの復習をすること。 | 受験勉強に8時間程度かけること。 |
| 第15回 | 期末試験の解答解説と追加課題 | 期末試験の解き直しをすること。 | 復習に1時間程度かけること。 |
その他
| 教科書 |
糸井千岳 他 『明解熱力学』 共立出版 [ISBN 9784320036239], https://www.kyoritsu-pub.co.jp/book/b10026616.html 2023年 第1版
不可逆過程の熱力学量を定量的に予測する具体例が他の教科書に比べて豊富である。理解しにくいエントロピーの定義が素過程に対して定義されるので、その役割が簡潔に述べられている。演習問題及びその解答は、自習の助けになるはずである。
|
|---|---|
| 参考書 |
佐々真一 『熱力学入門』 共立出版 [ISBN 978-4-320-03347-4]
田崎晴明 『熱力学』 新物理学シリーズ 培風館 {ISBN 9784563024321} 2000年
清水明 『熱力学の基礎』 東京大学出版会 [ISBN978-4-13-062622-4] 2021年 第2版
上に述べた３冊は現代的な視点から書かれている。上から順に程度が高くなる。
|
| 成績評価の方法 及び基準 |
１５回中に行われる、レポートまたは小テスト、試験、レポートで評価する予定である。対面の期末試験ができる場合は、その得点を80%の割合で成績に採用する。場合によっては、定期試験期間に対面試験行うので、連絡に注意すること。オンライン受講の人も、原則、対面試験を受験すること。 |
| 質問への対応 | メールやGoogle classroom |
| 研究室又は 連絡先 |
8号館3階833G itoi.chigakuアットマークnihon-u.ac.jp |
| オフィスアワー |
火曜 駿河台 12:20 ～ 13:20
|
| 学生への メッセージ |
大学の熱力学の本質を理解できるかどうかは熱力学第２法則を理解できるかどうかで決まります。熱力学第２法則は物理学の法則のなかでは少し変わっていて、様々な表現があり、そのうえ不等式で与えられます。そのことから熱力学は分かりにくいと言われるのですが、できるだけ単純に分かりやすく、かつ論理的に厳密な講義をします。基本的なことを理解してしまうとその深遠さに感銘を受け、とりこになると思います。 |