概要:
工学技術が対象とする現象の多くは熱力学との関係が深い．本講義では，熱平衡における熱力学の方法を解説するとともに，非平衡現象である熱伝導現象を記述する偏微分方程式の解法についても学習する．
授業の進め方・方法:
授業は講義を中心に適宜学習内容について議論を行う。講義中は集中して聴講すると共に、積極的に議論に参加すること。
適宜、レポート課題を課すので、翌週の授業の開始時に提出すること。
注意点:
この科目は学修単位科目であり、１単位あたり30時間の対面授業を実施します。併せて１単位あたり15時間の事前学習・事後学習が必要となります。
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
授業ガイダンス 、 力学と熱力学 |
授業計画の説明、時間反転に対称か非対称かを区別できる。
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| 2週 |
熱と仕事と内部エネルギー |
内部エネルギーの変化と熱と仕事の関係を理解できる。
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| 3週 |
気体の法則 |
気体の状態変化を説明できる。
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| 4週 |
理想気体の分子論(1) |
巨視的エネルギーと微視的エネルギーについて説明できる。
理想気体による圧力、絶対温度の統計論的定義について説明できる。
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| 5週 |
理想気体の分子論(2) |
理想気体の内部エネルギー、ベルヌーイの関係式について説明できる。
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| 6週 |
理想気体の熱力学第一法則 |
熱力学第一法則を理想気体に適用して各状態量の意味が理解できる。
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| 7週 |
モル比熱、熱機関、熱効率、エントロピーと熱力学第二法則 |
定積比熱、定圧比熱について説明できる。熱機関の働きと熱効率について説明できる。エントロピーの意味が理解できる。
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| 8週 |
循環過程における熱と仕事 |
熱機関と熱力学第二法則の関連が理解できる。熱効率の計算ができる。
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| 2ndQ |
| 9週 |
永久機関 |
第一種永久機関と第二種永久機関について説明できる。
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| 10週 |
熱移動現象(1) |
熱伝導現象を説明できる。熱伝導・熱伝達・熱放射について説明できる。
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| 11週 |
熱移動現象(2) |
直交座標系における熱伝導方程式を説明できる。
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| 12週 |
定常熱伝導問題(1) |
平板における定常熱伝導を解くことができる。
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| 13週 |
定常熱伝導問題(2) |
円筒における定常熱伝導を解くことができる。
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| 14週 |
非定常熱伝導問題(1) |
平板における非定常熱伝導を変数分離法により解くことができる。
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| 15週 |
非定常熱伝導問題(2) |
半無限固体における非定常熱伝導をラプラス変換法により解くことができる。
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| 16週 |
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| 分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
| 基礎的能力 | 自然科学 | 物理 | 熱 | 原子や分子の熱運動と絶対温度との関連について説明できる。 | 3 | 前2 |
| 時間の推移とともに、熱の移動によって熱平衡状態に達することを説明できる。 | 3 | 前2 |
| 物体の熱容量と比熱を用いた計算ができる。 | 3 | 前2 |
| 熱量の保存則を表す式を立て、熱容量や比熱を求めることができる。 | 3 | 前2 |
| 動摩擦力がする仕事は、一般に熱となることを説明できる。 | 3 | 前1 |
| ボイル・シャルルの法則や理想気体の状態方程式を用いて、気体の圧力、温度、体積に関する計算ができる。 | 3 | 前3 |
| 気体の内部エネルギーについて説明できる。 | 3 | 前2,前5 |
| 熱力学第一法則と定積変化・定圧変化・等温変化・断熱変化について説明できる。 | 3 | 前6 |
| エネルギーには多くの形態があり互いに変換できることを具体例を挙げて説明できる。 | 3 | 前2 |
| 不可逆変化について理解し、具体例を挙げることができる。 | 3 | 前8 |
| 熱機関の熱効率に関する計算ができる。 | 3 | 前8,前9 |
| 専門的能力 | 分野別の専門工学 | 機械系分野 | 熱流体 | 熱力学で用いられる各種物理量の定義と単位を説明できる。 | 3 | 前2,前3,前4 |
| 熱力学の第一法則を説明できる。 | 3 | 前6 |
| 理想気体の圧力、体積、温度の関係を、状態方程式を用いて説明できる。 | 3 | 前4 |
| 定積比熱、定圧比熱、比熱比および気体定数の相互関係を説明できる。 | 3 | 前7 |
| 内部エネルギーやエンタルピーの変化量と温度の関係を説明できる。 | 3 | 前5 |
| 等圧変化、等積変化、等温変化、断熱変化、ポリトロープ変化の意味を理解し、状態量、熱、仕事を計算できる。 | 3 | 前3,前7 |
| 熱力学の第二法則を説明できる。 | 3 | 前8 |
| サイクルの意味を理解し、熱機関の熱効率を計算できる。 | 3 | 前8 |
| カルノーサイクルの状態変化を理解し、熱効率を計算できる。 | 3 | 前8 |
| エントロピーの定義を理解し、可逆変化および不可逆変化におけるエントロピーの変化を説明できる。 | 3 | 前7 |
| サイクルをT-s線図で表現できる。 | 3 | 前8,前9 |