熱力学

科目基礎情報

学校 群馬工業高等専門学校 開講年度 令和03年度 (2021年度)
授業科目 熱力学
科目番号 4M010 科目区分 専門 / 必修
授業形態 授業 単位の種別と単位数 履修単位: 2
開設学科 機械工学科 対象学年 4
開設期 通年 週時間数 2
教科書/教材 教科書 わかりやすい熱力学(第3版) 一色尚次/北山直方 森北出版 ISBN:9784627600133
担当教員 花井 宏尚

目的・到達目標

□熱エネルギと力学的エネルギは同一の単位を持つ物理量であり、互いに変換が可能であることを説明できる
□状態量、絶対仕事、工業仕事、エンタルピ等の物理的な意味を正しく理解し、理想気体の状態式を用いて、理想気
体が状態変化するときの状態量や仕事、熱量の計算ができる
□熱機関の熱効率、冷凍機と熱ポンプの動作係数について理解し、高低両熱源の温度が決められたときカルノーサイ
クルが最も高い熱効率を示す事を説明できる
□エントロピという状態量が導入される理論的な過程を理解し、エントロピの物理的な意味を正しく説明できる
□定常流れにおける気体の状態変化を理解し、ノズル内流れの計算ができる
□蒸気の性質を理解し、飽和蒸気表や蒸気線図を用いて蒸気の状態変化が計算できる
□実用される熱機関の理論サイクルについて理解し、それらのサイクルに関する計算ができる

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
評価項目1熱力学の第一法則を理解し,説明できる熱力学の第一法則を説明できる熱力学の第一法則を説明できない
評価項目2熱力学の第二法則を理解し,説明できる熱力学の第に法則を説明できる熱力学の第二法則を説明できない
評価項目3サイクルの意味を理解し,熱効率および成績係数を説明できるサイクルの熱効率および成績係数を説明できるサイクルの熱効率および成績係数を説明できない

学科の到達目標項目との関係

教育方法等

概要:
熱はエネルギの一種であり、位置エネルギや運動エネルギ等の力学的エネルギと同一の単位を持つ物理量であること
が、ジュールの実験によって明らかにされた。そして、熱エネルギを効率よく連続的に力学的エネルギに変換する方
法が盛んに研究され、どのようにしたら効率のよい熱機関が出来るかが明らかになった。しかし、他方では熱エネル
ギをすべて仕事に変える、すなわち、効率100%の熱機関は実現不可能であることも証明された。
熱エネルギを仕事に変換する熱機関(エンジン)では、温度や圧力によって大きく体積が変化する気体の性質を利用
している。このような気体を作業物質と呼ぶが、熱機関に用いられる作業物質には、ガソリンエンジンの燃焼ガスの
ように理想気体として扱えるものと、蒸気タービンの蒸気のように理想気体とはほど遠い性質を示すものがある。熱
力学では、まず作業物質に熱を加えたり体積を変化させたりしたときに、作業物質がどのような性質を示すかという
作業物質の状態変化について学ぶ。さらに、状態変化の組み合わせによって、熱エネルギを連続的に力学的エネルギ
に変換する「サイクル」について学び、熱エネルギの仕事への変換の限界を示す第二法則やエントロピの概念を理解
する。
最後に、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン、蒸気タービン等ではどのようなサイクルが実現さ
れているのかを明らかにし、熱効率向上の方法について考察する。
授業の進め方と授業内容・方法:
座学.ポケコン(もしくは関数電卓)
注意点:
物理と化学,特に力学と物理化学に関する基礎知識が必要です

授業の属性・履修上の区分

アクティブラーニング
ICT 利用
遠隔授業対応
実務経験のある教員による授業

授業計画

授業内容・方法 週ごとの到達目標
前期
1stQ
1週 熱力学の概要 熱を仕事に変える原理が理解できる
2週 熱力学で使用する単位 熱力学で使用する単位を説明できる
3週 状態量および状態変化 熱力学で使用する状態量が説明できる
4週 熱力学の第一法則 熱力学の第一法則を説明できる
5週 絶対仕事,工業仕事およびエンタルピー 絶対仕事,工業仕事,エンタルピーが説明できる
6週 理想気体の状態方程式とガス定数 理想気体の状態変化が説明でき,各気体のガス定数が理解できる
7週 定圧比熱,定積比熱 定圧比熱と定積比熱の違いが説明できる
8週 中間試験 これまでの諸問題が説明できる
2ndQ
9週 理想気体の状態変化 理想気体の状態変化が説明できる
10週 熱機関の熱効率 各熱機関の熱効率が計算できる
11週 冷凍機とヒートポンプの動作係数 冷凍サイクルの動作係数が計算できる
12週 カルノーサイクルとクラウジウス積分 カルノーサイクルの原理が理解でき,クラウジウス積分が説明できる
13週 エントロピー エントロピーの定義とその意味を説明できる
14週 熱力学の第二法則 熱力学の第二法則を説明できる
15週 試験答案返却 ここまでの内容が説明できる.
16週
後期
3rdQ
1週 定常流れのエネルギー式 断熱定常流れのエネルギー式が説明できる
2週 ノズル内の流れと臨界圧力 ノズル内流れの現象と臨界圧力を説明できる
3週 全圧力と全温度 全圧力および全温度が意味を説明できる
4週 オットーサイクル オットーサイクルの原理と熱効率が説明できる
5週 ディーゼルサイクルとサバテサイクル ディーゼルサイクルの原理と熱効率が説明できる
6週 ブレイトンサイクル ブレイトンサイクルの原理と熱効率が説明できる
7週 スターリングサイクルとエリクソンサイクル スターリングサイクルとエリクソンサイクルの原理と熱効率が説明できる
8週 中間試験 これまでの諸問題が説明できる
4thQ
9週 蒸気の性質 蒸気の持つ性質について説明できる
10週 蒸気のp-v線図、h-s線図 水蒸気のp-v線図、h-s線図を使ってかわき度や熱量の計算ができる
11週 飽和蒸気表 飽和蒸気表を使用して各種状態量が計算できる
12週 ノズル内の断熱流れ 蒸気のノズル内の断熱流れが説明できる
13週 ランキンサイクル ランキンサイクルの原理と熱効率が説明できる
14週 再熱サイクルと再生サイクル ランキンサイクルの再熱サイクルと再生サイクルの熱効率が計算できる
15週 試験答案返却 1年間の内容が説明できる.
16週

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10000000100
基礎的能力0000000
専門的能力10000000100
分野横断的能力0000000