熱統計力学Ⅰ

科目基礎情報

学校	仙台高等専門学校	開講年度	令和03年度 (2021年度)
授業科目	熱統計力学Ⅰ
科目番号	0007	科目区分	専門 / 選択
授業形態	講義	単位の種別と単位数	学修単位: 2
開設学科	応用科学コース（広瀬キャンパス）	対象学年	4
開設期	前期	週時間数	2
教科書/教材	物理学講義「熱力学」松下貢著　裳華房
担当教員	永弘 進一郎

到達目標

熱力学の普遍性を理解し，応用できる。エントロピー・自由エネルギーといった熱力学の状態量を理解し説明ができる。熱から仕事を取り出すことにおける限界と効率を説明できる。理想気体について熱力学的な諸量を計算できる。

ルーブリック

	理想的な到達レベルの目安	標準的な到達レベルの目安	未到達レベルの目安
熱力学的状態量，第一法則について説明できる。	教員の誘導がなくてもできる	教員の誘導があればできる	教員の誘導があってもできない
第一法則を理解し，いろいろなサイクルについて効率の計算ができる。	教員の誘導がなくてもできる	教員の誘導がなくてもできる	教員の誘導がなくてもできる
エントロピー，自由エネルギーの意味を説明できる。	教員の誘導がなくてもできる	教員の誘導がなくてもできる	教員の誘導がなくてもできる

教育方法等

概要:

典型的な熱力学のストーリーは，「熱から仕事を得る」という工学的な動機から出発して，その効率の限界を考察することで熱現象の本質に迫る。そこから発生する「エントロピー」や「自由エネルギー」といった概念は，熱機関だけでなくあらゆる系に対して適用できる極めて普遍的な性質を持つ。この授業ではなるべく急がずに，熱力学の本質を理解することを目指し，演習を多く取り入れて，問題を解く力も身につける。

授業の進め方・方法:

注意点:

熱力学は難しい学問である。その理由はこの学問があらゆる系に対して適用できる普遍的を持つ反面，その体系が抽象的であるからであると担当者は理解している。そのため，何度も繰り返して元に戻りつつ考える姿勢，疑問点を自身の中で明確化して言語化し，質問ができる姿勢が求められる。微分・積分に加えて偏微分の概念をよく理解している必要がある。

授業の属性・履修上の区分

選択必修Ａ

授業計画

		週	授業内容	週ごとの到達目標
前期
	1stQ
		1週	熱力学とはなにか	熱力学の目的，熱力学が扱う対象，他の学問分野との関係を理解する
		2週	状態量と熱力学，熱と仕事の関係	温度の定義を理解する，熱と仕事の関係を理解する。熱と仕事は状態量ではないことを説明できる。
		3週	内部エネルギーと熱力学第一法則	エネルギー保存則を微分系で表現する考え方を理解する。過程における，熱・仕事・内部エネルギーの変化の関係を理解する。
		4週	堆積膨張率と圧縮率	熱力学に特有な，３つの変数が関係する２変数関数の微分の扱いに，演習を通して慣れる。
		5週	第一法則の応用，理想気体の熱力学的性質	定積熱容量と定圧熱容量の関係を理解する。理想気体の内部エネルギーや熱容量の性質を理解する。
		6週	理想気体の断熱変化	ポアソンの関係式の導出を理解する。
		7週	カルノーサイクル	ピストン内の機体の操作を説明し，二つの熱源から仕事を取り出す手続きを理解する。
		8週	理想気体のカルノーサイクルと，逆カルノーサイクル	理想気体のカルノーサイクルの効率が温度の比で与えられることを理解する。逆カルノーサイクルの働きを説明できる。
	2ndQ
		9週	カルノーの第一定理	カルノーサイクルの効率が作業物質に依存せず，普遍的であることを理解する。
		10週	現実的なサイクル	オットーサイクル，スターリングサイクルの効率を考える。
		11週	クラウジウスの関係式	クラウジウスの関係式を理解する。
		12週	不可逆なカルノーサイクルと，カルノーの第二定理	不可逆なサイクルの効率は，可逆なサイクルよりも低いことを理解する。
		13週	エントロピーの増大則	断熱系において，不可逆過程では系のエントロピーが必ず増大することを理解する。
		14週	ヘルムホルツの自由エネルギー	ヘルムホルツの自由エネルギーを定義し，その意味を説明できる。
		15週	エネルギーの方程式	エネルギーの方程式を応用して計算ができる
		16週	期末試験

評価割合

	試験	発表	相互評価	態度	ポートフォリオ	その他	合計
総合評価割合	70	0	0	0	0	30	100
基礎的能力	70	0	0	0	0	30	100
専門的能力	0	0	0	0	0	0	0
分野横断的能力	0	0	0	0	0	0	0