物理化学Ⅱ

科目基礎情報

学校	茨城工業高等専門学校	開講年度	令和03年度 (2021年度)
授業科目	物理化学Ⅱ
科目番号	0060	科目区分	専門 / 選択
授業形態	講義	単位の種別と単位数	履修単位: 2
開設学科	国際創造工学科　化学・生物・環境系	対象学年	4
開設期	通年	週時間数	2
教科書/教材	教科書：秋貞英雄他「化学熱力学中心の基礎物理化学」（学術図書出版社）　　参考書：渡辺啓「化学熱力学」（サイエンス社）
担当教員	宮下 美晴

到達目標

１．熱力学第一法則、熱容量、内部エネルギー、エンタルピーの定義と適用方法を説明でき、内部エネルギー変化やエンタルピー変化を計算できる。
２．気体の等温、定圧、定容、および断熱変化におけるエネルギーの出入りを計算できる。
３．熱力学第二法則、第三法則の定義と適用方法を説明でき、エントロピー変化を計算できる。
４．自由エネルギー変化の計算ができる。また、自由エネルギーと平衡定数の関係を説明でき、自由エネルギー変化から平衡定数およびその温度依存性を計算できる。
５．電池の起電力、自由エネルギー、平衡定数の関係を説明でき、それらを計算できる。

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
	熱力学第一法則、熱容量、内部エネルギー、エンタルピーの定義と適用方法を説明でき、それを利用して、状態変化や化学反応に伴う内部エネルギー変化とエンタルピー変化を計算できる。	熱力学第一法則、熱容量、内部エネルギー、エンタルピーの定義と適用方法を概ね説明でき、内部エネルギー変化とエンタルピー変化を概ね計算できる。	熱力学第一法則および熱容量を定義できず、内部エネルギー変化とエンタルピー変化の計算ができない。
	気体の等温、定圧、定容、断熱変化における仕事、熱の出入りならびに内部エネルギー変化、エンタルピー変化を計算できる。	気体の等温、定圧、定容、および断熱変化における仕事、熱、内部エネルギー変化を概ね計算できる。	気体の等温、定圧、定容、および断熱変化におけるエネルギーの出入りを計算できない。
	熱力学第二法則、第三法則の定義と適用方法を説明でき、それを利用して、状態変化や化学反応に伴うエントロピー変化を計算できる。	熱力学第二法則、第三法則の定義と適用方法を概ね説明でき、エントロピー変化を概ね計算できる。	熱力学第二法則、第三法則の定義ができず、エントロピー変化の計算ができない。
	状態変化や化学反応に伴う自由エネルギー変化を計算できる。自由エネルギーと平衡定数の関係を説明できる。自由エネルギー変化から平衡定数およびその温度依存性を計算できる。	自由エネルギー変化を概ね計算できる。自由エネルギーと平衡定数の関係を概ね理解し、計算できる。	自由エネルギー変化の計算ができない。自由エネルギーと平衡定数の関係を説明できない。
	電池の起電力、自由エネルギー、平衡定数の関係を説明でき、それらを相互に計算できる。	電池の起電力、自由エネルギー、平衡定数の関係を概ね説明できる。	電池の起電力、自由エネルギー、平衡定数の関係を説明できない。

学科の到達目標項目との関係

学習・教育到達度目標 (A)

教育方法等

概要:

熱力学第一法則、第二法則、第三法則を中心に、化学熱力学の基本を学ぶ。仕事、熱、内部エネルギー、エンタルピー、エントロピー、自由エネルギーといった熱力学の基本概念を用い、種々の変化・反応を、エネルギーの出入りという観点から理論的に解釈できるようにする。

授業の進め方・方法:

講義を中心に授業を行う。まず、熱力学の考え方について黒板やスライドを用いて説明する。その後、学んだ内容に関連する演習を行い、解法を解説する。毎回、授業内容に関する課題を課す。

注意点:

基本的な計算、微分積分は物理化学を学ぶ上で必要なので、理解していること。
演習、課題のために計算が必要となるので電卓を携行すること。
毎回の授業後には、ノートの内容や教科書の対応部分を見直して復習すること。また、次回予定の内容に関して教科書や参考書を利用して予習すること。

授業の属性・履修上の区分

ICT 利用

遠隔授業対応

授業計画

		週	授業内容	週ごとの到達目標
前期
	1stQ
		1週	いろいろな系	エネルギーおよび物質の出入りの観点からの系の分類について説明できる。
		2週	熱力学第一法則	熱力学第一法則の定義と適用方法を説明できる。また、この法則に基づいて、熱、仕事、内部エネルギーの関係を説明できる。
		3週	理想気体の等温膨張・圧縮１	一定外圧下での理想気体の等温膨張・圧縮における、仕事、熱、内部エネルギー変化を計算できる。
		4週	理想気体の等温膨張・圧縮２	理想気体の等温可逆的な膨張・圧縮における、仕事、熱、内部エネルギー変化を計算できる。
		5週	ジュールの法則	ジュールの法則の定義と適用方法を説明できる。
		6週	熱容量とエンタルピー	熱容量およびエンタルピーの定義と適用方法を説明できる。熱容量を用いてエンタルピー変化と内部エネルギー変化を計算できる。
		7週	中間試験
		8週	マイヤーの関係式	マイヤーの関係式の導出を理解し、その式の適用方法を説明できる。
	2ndQ
		9週	エネルギー等分配則	分子の運動の自由度と内部エネルギーの関係を理解し、エネルギー等分配則について説明できる。また、それに基づいて、理想気体の熱容量について説明できる。
		10週	理想気体の断熱変化１	ポアッソンの式を使って、理想気体の断熱可逆変化に伴うエネルギーの出入りを計算できる。
		11週	理想気体の断熱変化２	理想気体の断熱不可逆的な変化に伴うエネルギーの出入りを計算できる。
		12週	反応熱	定圧下および定積下での反応熱（化学反応に伴うエンタルピー変化と内部エネルギー変化）の違いを理解し、それらを計算できる。
		13週	標準生成エンタルピーとヘスの法則	標準生成エンタルピーおよびヘスの法則を説明でき、それらを利用して化学反応に伴うエンタルピー変化を計算できる。
		14週	反応熱の温度依存性	種々の温度における反応熱を計算できる。
		15週	期末試験
		16週	前期の復習	前期に学習した内容のまとめと復習
後期
	3rdQ
		1週	熱力学第二法則１	熱力学第二法則の定義と適用方法を説明できる。
		2週	熱力学第二法則２	カルノーサイクルと仕事効率を理解し、熱力学第二法則の正当性を説明できる。
		3週	エントロピー	エントロピーとは何かを理解できる。温度変化、相転移、等に伴うエントロピー変化を計算できる。
		4週	エントロピー変化の計算	気体の膨脹・圧縮、気体の混合、等に伴うエントロピー変化の計算ができる。
		5週	エントロピーの分子論的意味と熱力学第三法則	ボルツマンの関係式とエントロピーの分子論的意味を理解できる。熱力学第三法則の定義と適用方法を説明できる。物質の標準エントロピーを用いて化学反応のエントロピー変化を計算できる。
		6週	エントロピー増大則	エントロピー増大則およびクラウジウスの不等式を説明できる。
		7週	中間試験
		8週	自由エネルギー	自由エネルギーの定義を説明できる。自由エネルギーを用いて平衡条件を説明できる。
	4thQ
		9週	自由エネルギー変化の計算	標準生成自由エネルギーを説明できる。また、種々の変化や化学反応に伴う自由エネルギー変化を計算できる。
		10週	自由エネルギーと相変化１	クラウジウス－クラペイロンの式を導出し、相図における相境界線を説明できる。
		11週	自由エネルギーと相変化２	クラウジウス－クラペイロンの式を応用して、相変化を説明できる。
		12週	化学平衡と自由エネルギー	平衡定数と自由エネルギー変化の関係を説明でき、それらを相互に計算できる。
		13週	平衡定数の温度依存性	平衡定数の温度依存性と、自由エネルギー、エンタルピー、エントロピーの関係を説明でき、それらを相互に計算できる。
		14週	起電力と自由エネルギー	電池の起電力、自由エネルギー、平衡定数の関係を説明でき、それらを相互に計算できる。
		15週	期末試験
		16週	後期の復習	後期に学習した内容のまとめと復習

評価割合

	試験	課題	合計
総合評価割合	80	20	100
基礎的能力	0	0	0
専門的能力	80	20	100
分野横断的能力	0	0	0