応用物理化学

科目基礎情報

学校	秋田工業高等専門学校	開講年度	令和04年度 (2022年度)
授業科目	応用物理化学
科目番号	0034	科目区分	専門 / 必修
授業形態	授業	単位の種別と単位数	学修単位: 2
開設学科	創造システム工学科（バイオ・アグリ工学コース）	対象学年	5
開設期	後期	週時間数	2
教科書/教材	材料科学者のための統計熱力学入門　志賀正幸著　内田老鶴圃／（参考書）固体物理の基礎　材料がわかる量子力学と熱統計力学　西谷滋人著　森北出版／（参考書）材料科学者のための量子力学入門　志賀正幸著　内田老鶴圃
担当教員	丸山 耕一

到達目標

1. 古典熱力学で導入した物理量とこれらの関係を説明できる。
2. 統計熱力学によって，エントロピー，温度の意味を説明できる。　
3. 状態和（分配関数）から自由エネルギーを導出できる。
4. 自由エネルギーや化学ポテンシャルを用いて，熱平衡，拡散平衡，相平衡，相転移などを説明できる。

ルーブリック

	理想的な到達レベルの目安(優)	標準的な到達レベルの目安(良)	未到達レベルの目安(不可)
評価項目1	古典熱力学で導入した物理量とこれらの関係を導出できる。	古典熱力学で導入した物理量とこれらの関係を説明できる。	古典熱力学で導入した物理量とこれらの関係を説明できない。
評価項目2	統計熱力学によって，エントロピー，温度の意味を説明でき，種々現象を解釈できる。	統計熱力学によって，エントロピー，温度の意味を説明できる。	統計熱力学によって，エントロピー，温度の意味を説明できない。
評価項目3	状態和（分配関数）から自由エネルギーを導出でき，その活用法がわかる。	状態和（分配関数）から自由エネルギーを導出できる。	状態和（分配関数）から自由エネルギーを導出できない。
評価項目4	平衡を議論する際，自由エネルギーや化学ポテンシャルを活用することの有効性を認識できる。	自由エネルギーや化学ポテンシャルを用いて，熱平衡，拡散平衡，相平衡，相転移などを説明できる。	自由エネルギーや化学ポテンシャルを用いて，熱平衡，拡散平衡，相平衡，相転移などを説明できない。

学科の到達目標項目との関係

(C)専門知識の充実 C-1

教育方法等

概要:

統計熱力学は，物質を構成粒子の集合として微視的にとらえたとき，ある条件下で最も頻繁に現れる個々の粒子のエネルギーの組み合わせを統計的に解析する方法である。これにより，古典熱力学で導入した巨視的熱力学量間の関係を，統計熱力学では原子論や量子力学に基づき，微視的な立場から熱力学量を求める手法である。これにより，エントロピーや温度のように，統計熱力学の立場からは容易に理解できる。また，熱平衡や相平衡，相転移などの材料工学・科学に関連する現象を，自由エネルギーや化学ポテンシャルを用いて議論する。

授業の進め方・方法:

講義形式で行う。演習問題を課題として与える。

注意点:

到達度試験の結果を８０%，レポート（提出物・欠課措置を含む　※指示された期限・内容でない場合は，減点する）を２０%の比率で評価する。
合格点は６０点である。試験結果の平均点が合格点に達しない場合，再試験を行うことがある。
（授業を受ける前）教科書を閲読し、関係する物理や数学の基礎概念を復習する。
（授業を受けた後）量子力学や統計熱力学によって導入される物理量や，導出された関係式から，物質の微視的な性質を理解し，材料作製，材料デザインに活用することをこころがける。

授業計画

		週	授業内容	週ごとの到達目標
後期
	3rdQ
		1週	授業ガイダンス・序論ー固体の比熱ー	授業の進め方と評価の仕方について説明する。固体の比熱に熱統計理論を適用する意義がわかる。
		2週	ボルツマン分布	エネルギー量子の分布が温度に依存することがわかる。
		3週	エントロピー	熱力学で導入したエントロピーて理解を，統計熱力学によっ深める。
		4週	温度	微視的に温度を定義できる。
		5週	自由エネルギーと状態和	状態和（分配関数）から自由エネルギーを導出できる。
		6週	前半のまとめ・演習	前半の学修内容を整理することで，古典熱力学で導入した物理量を，熱統計力学によって，導入，解釈しなおせる。
		7週	２準位系の統計熱力学	常磁性体の磁化率を説明できる。
		8週	固体の平衡蒸気圧	粒子数が変化する系の平衡を議論できる。
	4thQ
		9週	化学反応の平衡	定温，定圧下における平衡条件を議論できる。
		10週	相平衡と相転移（１）	開放系における化学ポテンシャルから平衡を説明できる。
		11週	相平衡と相転移（２）	自由エネルギーから相転移を説明できる。
		12週	相平衡と相転移（３）	自由エネルギーから核生成を説明できる。
		13週	２元系状態図	自由エネルギーを状態図を用いて視覚的に説明できる。
		14週	後半のまとめ・演習	後半の学修内容を整理することで，自由エネルギーや化学ポテンシャルを用いて，熱平衡，拡散平衡，相平衡，相転移などを説明できる。
		15週	到達度試験（前期末）	上記項目について学習した内容の理解度を確認する。
		16週	試験の解説と解答、授業アンケート	到達度試験の解説と解答、本授業のまとめ、および授業アンケート

評価割合

	到達度試験	レポート等提出物	合計
総合評価割合	80	20	100
知識の基本的な理解	50	10	60
思考・推論・創造への適用力	10	0	10
汎用的技能	20	0	20
総合的な学習経験と創造的思考力	0	10	10