【熱統計力学Ⅰ】 [物理学科 3群 必修 科目(配当年次: 第2学年 ) ]
[化学科 3群 B選択 科目(配当年次: 第2学年 ) ]
 
単  位:2単位 単位認定者: 守真太郎 教員免許取得のための必修科目
授業期間: 後期  15コマ 科目分担者: 科目:教科に関する科目(中・高 理科)
授業形態: 講義  週1コマ 施行規則に定める科目区分:物理学
 
教育目標

熱力学と統計力学の基礎の理解

教育内容

熱力学の視点、観測量を述べ、さまざまな操作での仕事についての経験事実を公理として「熱力学」を構築する。
エネルギー保存の法則、エントロピーと断熱操作の可逆性、自由エネルギーと等温仕事について詳しい解説を行う。
また、確率モデルを用いて平衡状態の情報を抽出する手法である統計力学の導入部分についても解説する

教育方法

講義は板書形式でテキストにそってすすめる。毎回の宿題としてテキスト章末のレポート問題を課す。
テキストはDL-Market(http://www.dlmarket.jp/)においてダウンロード販売。
無料版は講師のWEBサイトからダウンドード可。また、授業開始の週に行うアンケート実験に参加した場合、印刷した無料版テキストを配布する。
章末問題の解説、演習問題の解法は「熱・統計力学演習」において行う。熱力学・統計力学は手を動かさないと理解が難しいので、選択科目ではあるが是非履修すること。

 
講義内容(シラバス)
項  目 担当者 授業内容

1回

熱力学の視点と平衡状態の記述

熱力学とは、平衡状態、状態変数、環境、操作、仕事

2回

内部エネルギー

断熱操作、断熱曲線、内部エネルギー、熱とは何か

3回

ケルヴィンの原理

等温サイクル、第二種永久機関、プランクの原理

4回

カルノーの定理

ニ温度熱機関、効率、カルノーサイクル

5回

エントロピーとは何か?

エントロピーの計算公式、不可逆、クラウジウスのエントロピー

6回

自由エネルギーとは何か?

ヘルムホルツの自由エネルギー

7回

完全な熱力学関数

F(T,V,n)とS(U,V,n)、ルジャンドル変換、凸性

8回

エントロピー最大原理、自由エネルギー最小原理

つりあいの条件

9回

相転移の熱力学

相、クラウジウス・クラペイロンの関係式

10回

マックスウェルの速度分布則

正規分布、ベルヌーイの関係式

11回

統計力学とは?

等重率の原理とミクロカノニカル分布

12回

量子力学と熱力学のブリッジ

ボルツマンの原理の熱力学的な証明

13回

等温環境下の系とカノニカル分布

熱浴、カノニカル分布

14回

量子力学と熱力学のブリッジII

分配関数と自由エネルギーの関係、ルジャンドル変換

15回

まとめ

全体の確認と復習

 
到達目標

(1)理想気体の平衡状態にさまざまな操作を行ったときのエネルギーのやりとりを計算できること。
(2)エントロピーの意味を理解し、断熱操作が可逆か、不可逆かを判定できること。
(3)自由エネルギーから状態方程式などの熱力学的な性質を導けること。
(4)統計力学と熱力学の関係を理解すること。

評価基準

講義で出すレポート(30%)と期末試験(70%)による総合評価。欠席回数に比例して減点する。

準備学習
(予習・復習)

講義はテキストに沿ってすすめるので、講義で扱う部分を予習しておくこと。また、「確率・統計」の講義は受講し、確率的なものの考え方に慣れておくこと。

その他

詳しく学びたい場合は参考書を薦める。

 
  (書  名) (著者名) (出版社名) (定価)
教科書 熱力学から統計力学へ(平成29年度版) 守真太郎 DL-Market 324円
参考書 熱力学ー現代的な視点から 田崎晴明 培風館 3,675円
統計力学1 田崎晴明 培風館 3,672円