概要:
一般・専門の別:専門
学習の分野:エネルギーと流れ
必修・履修・履修選択・選択の別:必修
基礎となる学問分野:工学/機械工学/熱工学
学科学習目標との関連:本科目は機械工学科学習目標「(2)エネルギーと流れ,材料と構造,運動と振動,設計と生産・管理,情報と計測・制御,機械とシステムに関する専門技術分野の知識を修得し,工学現象の解析や機械の設計・製作に応用できる能力を身につける。」に相当する科目である。
技術者教育プログラムとの関連:本科目が主体とする学習・教育到達目標は「(A)技術に関する基礎知識の深化,A-2:「材料と構造」,「運動と振動」,「エネルギーと流れ」,「情報と計測・制御」,「設計と生産・管理」,「機械とシステム」に関する専門技術分野の知識を修得し,説明できること」である。
授業の概要:本科目は基礎科学に対応する学問であり,科学的思考を養う。熱エネルギーと仕事の相互変換および物質の状態変化の基礎について,工学技術への応用も考慮して解説する。
授業の進め方・方法:
授業の方法:授業は板書を中心に進め,できるだけ丁寧に解説を行う。また,多くの演習問題を通して基礎理論の理解が深まるように配慮する。本科目は前期開講科目である。
成績評価方法:2回の定期試験の成績を同等に評価し(定期試験70%),これに演習と時間外の課題(30%)を加えた総合評価とする。試験には,教科書,ノートの持ち込みは許可しない。成績が60点未満の学生に対して再試験を実施する場合がある。その場合,定期試験と再試験の平均点を試験分として成績を再評価する。ただし,再評価による成績の上限は60点とする。なお,再試験の実施および受験資格は,該当者の学習態度を踏まえて判断する。
注意点:
履修上の注意:本科目は「授業時間外の学習を必修とする科目」である。1単位あたり授業時間として15単位時間開講するが,これ以外に30単位時間の学習が必修となる。これらの学習については担当教員の指示に従うこと。必修科目であり,課程修了には履修(欠課時間数が所定授業時間数の3分の1以下)が必須となる。
履修のアドバイス:熱力学は機械工学の基盤をなす重要な力学の1つである。基礎科目の内容をしっかり理解しておくことが望ましい。
基礎科目:物理Ⅱ(2年),微分積分Ⅰ(2),微分積分Ⅱ(3)
関連科目:熱力学Ⅱ(4年),流体工学Ⅰ,Ⅱ(4),熱機関(5),流体機械(5),伝熱工学(5),エネルギーシステム工学(専1),流体力学(専2)
受講上のアドバイス:暗記ではなく,知識を積み上げながら理解することが重要である。演習や課題には意欲的に取り組み,自ら考え理解を深めること。20分を越える遅刻・早退は1欠課,65分を超える遅刻・早退は2欠課とする。
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
後期 |
3rdQ |
1週 |
ガイダンス,熱力学の基本概念1 〔温度と熱〕
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・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。【物理】
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2週 |
熱力学の基本概念2〔状態量,状態式,熱と仕事〕 |
・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。【物理】 ・物体の熱容量と比熱を用いた計算ができる。【物理】 ・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。【物理】 ・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。【機械】 ・閉じた系と開いた系、系の平衡、状態量などの意味を説明できる。【機械】
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3週 |
熱力学第一法則1〔エネルギーの保存,内部エネルギー〕 |
・気体の内部エネルギーについて説明できる。【物理】 ・熱力学第一法則について説明できる。【物理・機械】 ・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。【物理】 ・閉じた系について,エネルギー式を用いて,熱,仕事,内部エネルギーを計算できる。【機械】 ・閉じた系が外界にする仕事をp-V線図で説明できる。【機械】
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4週 |
熱力学第一法則2〔熱容量と比熱,エンタルピー〕
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・閉じた系のエンタルピー変化を計算できる。【機械】 ・理想気体について,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。【機械】 ・理想気体について,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。【機械】
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5週 |
理想気体の性質〔理想気体の状態式と比熱〕 |
・ボイル・シャルルの法則、理想気体の状態方程式を用いて、気体の圧力、温度、体積の関係を説明し,計算することができる。【物理・機械】
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6週 |
理想気体の状態変化1〔等圧・等積変化〕 |
・理想気体の等圧・等積変化について説明できる。【物理・機械】 ・理想気体の状態方程式を用いて、等圧・等積変化に伴う物理量を計算できる。【物理・機械】
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7週 |
理想気体の状態変化2〔等温変化〕 |
・理想気体の等温積変化について説明できる。【物理・機械】 ・理想気体の状態方程式を用いて、等温変化に伴う物理量を計算できる。【物理・機械】
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8週 |
後期中間試験 |
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4thQ |
9週 |
後期中間試験の返却と解答解説 |
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10週 |
理想気体の状態変化3〔断熱変化〕 |
・理想気体の断熱積変化について説明できる。【物理・機械】 ・理想気体の状態方程式を用いて、断熱変化に伴う物理量を計算できる。【物理・機械】
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11週 |
理想気体の混合〔ドルトンの法則,混合気体の状態量〕 |
・ドルトンの法則と理想気体の状態式を用いて混合気体の状態量を計算できる。【物理】
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12週 |
理想気体の微視的理解〔気体分子運動の基礎〕 |
・絶対温度および理想気体の性質を気体分子の運動と関係付けて説明できる。【物理】
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13週 |
熱力学第二法則の基本概念〔不可逆変化,熱機関と熱効率〕 |
・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。【物理】 ・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。【物理】 ・熱機関の熱効率に関する計算ができる。【物理】 ・熱力学第二法則を説明できる。【機械】
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14週 |
カルノーサイクル〔カルノーサイクルの熱効率〕 |
・サイクルの意味を理解し,熱機関の熱効率を計算できる。【機械】 ・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。【機械】
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15週 |
後期末試験 |
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16週 |
後期末試験の返却と解答解説 |
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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 | 後1,後12 |
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 | 後2 |
物体の熱容量と比熱を用いた計算ができる。 | 3 | 後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 | 後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 | 後13 |
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 | 後5,後6,後7,後10,後11 |
気体の内部エネルギーについて説明できる。 | 3 | 後3 |
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 | 後3,後6,後7,後10,後14 |
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 | 後3 |
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 | 後13 |
熱機関の熱効率に関する計算ができる。 | 3 | 後13,後14 |
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 | 後2 |
閉じた系と開いた系、系の平衡、状態量などの意味を説明できる。 | 3 | 後2 |
熱力学の第一法則を説明できる。 | 3 | 後3 |
閉じた系と開いた系について、エネルギー式を用いて、熱、仕事、内部エネルギー、エンタルピーを計算できる。 | 3 | 後3,後4 |
閉じた系および開いた系が外界にする仕事をp-V線図で説明できる。 | 3 | 後3 |
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 | 後5 |
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 | 後4 |
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 | 後4 |
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 | 後6,後7,後10 |
熱力学の第二法則を説明できる。 | 3 | 後13 |
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 | 後14 |
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 | 後14 |