概要:
物理化学は、材料の製造や性質を知る上で重要な専門基礎科目である。その範囲は広範囲に渡るが、その中心となるのは熱力学である。物理化学ⅠおよびⅡではこの熱力学を中心に講義し、材料製造プロセスに深くかかわる基礎的な事項について論理的な思考力を養うとともに、具体的な問題を解く能力を養成することを目的とする。４年では３年に引き続いて熱力学の法則を理解、計算できる能力、特に自由エネルギーを駆使して状態変化、化学変化に関する取り扱いができる能力を養成する。
授業の進め方・方法:
この科目は、３年の物理化学Ⅰの続きであり、論理的な思考と、実際に問題を解く訓練が必要である。特に、自由エネルギーは状態変化、化学反応について、現象の理解とその計算は非常に重要で、これを理解することは、材料プロセスに取り組む大きな手がかりになる。授業は、抽象的な概念の説明と演習を併用するので、毎回関数電卓を用意すること。知識を確認するためには、なかなか解けなくても、自ら多くの演習に取り組むことが大事である。
関連科目：材料化学，電気化学，材料合成プロセス
注意点:
到達目標に記載した項目の基礎的な内容と理解度、およびその活用度を評価基準とする。
定期試験(中間試験40%+期末試験40%) 80%、課題レポートを20%として評価し、60点以上を合格とする。
再試験は全範囲で一度のみ実施する。
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
熱力学の第二法則と自由エネルギーの導入 |
自由エネルギーを導出することができる。
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| 2週 |
熱力学ポテンシャルとしての自由エネルギーの性質 |
有効仕事について説明できる。
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| 3週 |
相変化および化学反応における自由エネルギー変化 |
相変化および化学反応における自由エネルギー変化を計算することができる。
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| 4週 |
演習1 |
1～3週における各種計算を行うことができる。
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| 5週 |
自由エネルギーの値、エンタルピー、エントロピー、自由エネルギー変化の計算 |
反応におけるエンタルピー、エントロピー、自由エネルギー変化を計算できる。
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| 6週 |
dG=VdP-SdTとギブス－ヘルムホルツの式 |
ギブス－ヘルムホルツの式を導出することができる。
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| 7週 |
演習2 |
5～6週における各種計算を行うことができる。
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| 8週 |
中間試験 |
1～7週の内容について説明および計算ができる。
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| 2ndQ |
| 9週 |
自由エネルギーを決めるもの |
自由エネルギーを決める要因を説明できる。
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| 10週 |
自由エネルギーに及ぼす圧力の影響 |
圧力変化にともなう自由エネルギー変化を計算できる。
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| 11週 |
自由エネルギーに及ぼす温度の影響 |
温度変化にともなう自由エネルギー変化を計算できる。
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| 12週 |
演習3 |
9～11週における各種計算を行うことができる。
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| 13週 |
固体間の転移（黒鉛－ダイヤモンド相転移） |
圧力および温度変化にともなう自由エネルギー変化を説明できる。
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| 14週 |
液体－気体間の平衡（蒸気圧） |
液体の沸点や蒸気圧を計算することができる。
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| 15週 |
演習4 |
13～14週における各種計算を行うことができる。
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| 16週 |
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| 後期 |
| 3rdQ |
| 1週 |
クラペイロンの式 |
クラペイロンの式を用いて各種計算を行うことができる。
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| 2週 |
クラペイロン‐クラジウスの式 |
クラペイロン‐クラジウスの式を用いて各種計算を行うことができる
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| 3週 |
均一系化学平衡 |
自由エネルギー変化と各種分圧の関係を説明することができる。
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| 4週 |
演習5 |
1～3週における各種計算を行うことができる。
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| 5週 |
平衡定数 |
平衡定数について説明することができる。
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| 6週 |
反応率の計算 |
平衡定数を利用して、反応率を計算することができる
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| 7週 |
演習6 |
5～6週における各種計算を行うことができる。
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| 8週 |
中間試験 |
1～7週の内容について説明および計算ができる。
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| 4thQ |
| 9週 |
不均一系化学平衡 |
凝縮相を含む系の化学平衡において、平衡定数を計算できる。
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| 10週 |
平衡定数の温度変化 |
平衡定数の温度変化について説明することができる。
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| 11週 |
ファント･ホッフの式 |
ファント･ホッフの式を用いて、平衡定数の温度変化を計算できる。
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| 12週 |
演習7 |
9～11週における各種計算を行うことができる。
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| 13週 |
酸化物の標準自由エネルギー－温度図 |
酸化物の標準自由エネルギー－温度図について、説明することができる。
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| 14週 |
酸化物の標準自由エネルギー－温度図の利用 |
酸化物の標準自由エネルギー－温度図を利用して、必要なガスの分圧などを計算できる。
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| 15週 |
演習8 |
13～14週における各種計算を行うことができる。
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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 |
| 専門的能力 | 分野別の専門工学 | 材料系分野 | 物理化学 | 仕事、熱、エネルギーの概念について説明できる。 | 3 | 前1,前5 |
| 熱力学第一法則と内部エネルギーの概念を説明できる。 | 3 | 前1,前5 |
| 膨張の仕事が計算でき、仕事が状態量でないことを理解できる。 | 3 | 前5 |
| 内部エネルギー、熱、仕事の符号の規則を説明でき、膨張の仕事を計算できる。 | 3 | 前5 |
| エンタルピーの定義およびエンタルピーが状態量であることを説明できる。 | 3 | 前1 |
| 断熱変化に伴う温度変化を計算できる。 | 2 | 前5 |
| 標準生成エンタルピーの物理的意味を理解し、反応エンタルピーを計算できる。 | 3 | 前5 |
| 反応エンタルピーの温度依存性に関するキルヒホッフの法則を理解し、いろいろな反応の反応エンタルピーを計算できる。 | 3 | 前5 |
| 定圧熱容量と定容熱容量の関係式が導出できる。 | 3 | 前5 |
| エントロピーの定義を理解し、不可逆過程におけるエントロピー生成について説明できる。 | 3 | 前1,前5 |
| ヘルムホルツエネルギーとギブズエネルギーの定義および自発的変化の方向性との関連について説明できる。 | 3 | 前1,前2,前3,前9 |
| 標準モルギブズエネルギーの定義に基づいて標準反応ギブズエネルギーを計算できる。 | 3 | 前2,前3 |
| 内部エネルギーと巨視的熱力学量の関係を導出できる。 | 3 | 前5,前6 |
| ギブズエネルギーと巨視的熱力学量との関係を導出できる。ギブスーヘルムホルツの式を導出できる。 | 3 | 前6 |
| 純物質の化学ポテンシャルの定義と物理的意味を理解し、理想気体の化学ポテンシャルを計算できる。 | 3 | 前10,前11 |