Kato Yusuke Lab. - lecture/td2013 - 2013年度　夏学期　熱力学

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2013年度　夏学期　熱力学~

http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/  ~
からMembers->加藤→講義→熱力学とたどってください。~

クラス：１年理科I類31,33,38,39 COLOR(Black){注意：他クラス聴講生や文系生で木曜日１限の熱力学の履修を希望する人は松井哲男先生の講義を履修してください。}

担当教員：　加藤雄介（居室：駒場第1キャンパス16号館3階301B号室）~

Teaching Assistant(TA)*：~
黒澤範行（東京大学大学院総合文化研究科博士課程、居室１６号館201A号室）~
篠嵜美沙子（東京大学大学院総合文化研究科修士課程、居室１６号館211号室）~

更新情報~

|COLOR(Red){2013年08月09日}　|[[演習問題IV解答例>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise4kaitou%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]掲載|
|COLOR(Red){2013年07月26日}　|[[演習問題IV>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise4%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]掲載しました。ただし演習問題IVについてのレポート課題はありません|
|2013年07月25日　|COLOR(Red){レポート課題III 答案返却中}　16号館211号室|
|2013年07月18日　|演習問題III解答例掲載|
|2013年07月01日　|レポート課題II講評掲載|
|2013年06月28日　|COLOR(Red){レポート課題II 答案返却中}　16号館211号室|
|2013年06月21日　|演習問題III-6 微修正|
|2013年06月20日　|[[演習問題II解答例>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=answer2%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]掲載|
|2013年06月18日　|[[演習問題III>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise3%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]], III-5,6に図を加えました|
|2013年06月17日　|COLOR(black){演習問題II-4 のヒントに誤植がありましたので、訂正します。レポート課題の採点には影響しません。}|
|2013年06月14日　|[[演習問題III>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise3%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]微修正、COLOR(black){レポート課題III}|
|2013年06月13日　|[[演習問題III>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise3%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]掲載|
|2013年06月06日　|COLOR(Red){レポート課題I 答案返却中}　16号館211号室|
|2013年06月06日　|演習問題II-4 微修正|
|2013年06月03日　|[[演習問題II>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise2%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]掲載、COLOR(black){レポート課題II}|
|2013年05月31日　|レポート課題I講評掲載|
|2013年05月25日　|演習問題I解答例掲載、演習問題I微修正（1.4と1.5のV_1→V_i）|
|2013年05月07日　|[[演習問題I>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise1teisei%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]掲載、COLOR(Black){レポート課題I},目次微修正|
|2013年05月01日　|目次微修正|
|2013年04月10日　|講義内容と参考書|
|2013年01月24日　|ページ作成|

COLOR(blak){レポート課題III}~
1.[[演習問題III>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise3%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]
のIII-1, III-2, III-3を解け。~
2.講義に対する要望、苦情、意見があれば記せ。~

以上をレポートとしてまとめ、COLOR(black){6月27日17時まで}に提出せよ。~
提出先　16号館2階211号室ドアにある封筒または箱
（「熱力学（加藤雄介担当分）レポート提出場所」と記してあります）~
提出に際しては下記のレポート課題に関する注意を参照のこと。

#ref(td2013exercise3kaitou.pdf, 演習問題III解答)
#ref(kouhyou3.pdf, レポート課題III講評)

COLOR(black){レポート課題II}~
1.[[演習問題II>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise2%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]
のII-1, II-3, II-4を解け。~
2.講義に対する要望、苦情、意見があれば記せ。~

以上をレポートとしてまとめ、COLOR(black){6月13日17時まで}に提出せよ。~
提出先　16号館2階211号室ドアにある封筒または箱
（「熱力学（加藤雄介担当分）レポート提出場所」と記してあります）~
提出に際しては下記のレポート課題に関する注意を参照のこと。

#ref(answer2.pdf,演習問題II解答)
#ref(td2013exercise2kouhyou.pdf, レポート課題II講評)

COLOR(Black){レポート課題I}~
//1.[[演習問題I>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise1%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]
1.[[演習問題I>http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kato-yusuke-lab/?cmd=attach&pcmd=open&file=td2013exercise1teisei%2epdf&mypage=lecture/td2013&refer=lecture/td2013]]
のI-2, I-3, I-4を解け。~
2.講義に対する要望、苦情、意見があれば記せ。~

以上をレポートとしてまとめ、COLOR(Black){5月23日17時まで}に提出せよ。~
提出先　16号館2階211号室ドアにある封筒または箱
（「熱力学（加藤雄介担当分）レポート提出場所」と記してあります）~
提出に際しては下記のレポート課題に関する注意を参照のこと。
#ref(td2013exercise1kaitou.pdf,演習問題I解答)
#ref(td2013exercise1kouhyou.pdf,レポート課題I講評)

***講義日時・場所：　木曜日1限（9：00から10：30まで）741教室~
|COLOR(Blue){第1回 04/11}|COLOR(Blue){第08回 05/30}|
|COLOR(Blue){第2回 04/18}|COLOR(Blue){第09回 06/06}|
|COLOR(Blue){第3回 04/25}|COLOR(Blue){第10回 06/13}|
|COLOR(Blue){第4回 05/02}|COLOR(Blue){第11回 06/20}|
|COLOR(Blue){第5回 05/09}|COLOR(Blue){第12回 06/27}|
|COLOR(Blue){第6回 05/16}|COLOR(Blue){第13回 07/04}|
|COLOR(Blue){第7回 05/23}|COLOR(Green){試験}|

***''講義内容''：

熱力学は，膨大な数の原子・分子等のミクロ（微視的）な粒子の集団から成るマクロ（巨視的）な物質の状態を、温度、圧力，体積などのマクロな物理量を用いて記述し，いくつかの基本原理をもとに，マクロな観点から物質の状態がいかに変化するかを考察する学問体系である。熱力学は，力学，電磁気学とともに古典物理学の基礎を構成している。ここで学ぶ内部エネルギー，エントロピーなどの概念は理科生にとって必須の基礎概念である。

以下に標準的な講義内容を示すが，項目の順序や内容は若干異なる。講義では、高校までに習った初等数学以外に、偏微分等の数学的手法を用いることがあるが、その場合は、そのつど必要に応じて講義で解説される。~

//
//0.序論 
//熱力学とは何か？ミクロな系とマクロな系，力学や電磁気学との対比 
//
//1.熱平衡状態 
//温度，圧力，状態量，示強変数と示量変数，状態方程式 
//
//2.熱力学第一法則 
//熱量と仕事，熱の仕事当量，内部エネルギー，定積熱容量（定積比熱）と定圧熱容量
//（定圧比熱） 
//
//3.熱力学第二法則 
//第二法則の諸表現（Thomsonの原理，Clausiusの原理），可逆循環過程 ，
//Carnotサイクル，不可逆過程，準静的過程，熱機関の効率，熱力学的絶対温度，
//Clausiusの不等式，エントロピー 
//
//4.自由エネルギー 
//Helmholzの自由エネルギー，Gibbsの自由エネルギー，Maxwellの関係式 
//
//その他、オプションとして取り上げられるトピックス 
//混合のエントロピー，エンタルピー，Joule-Thomson過程，Legendre変換，熱力学第三
//法則，相平衡，相律，Clapeyron-Clausiusの式，Le Chatelierの原理，
//化学ポテンシャル，Gibbs-Duhemの関係式，Maxwellの等面積則
//
//

第０章　ガイダンス、熱力学の既習事項（復習）、これからの熱力学(COLOR(Red){4/11はここまで})

第１章　温度、理想気体~
§温度、§平衡状態、§断熱壁と透熱壁、§温度目盛り、
§状態量、状態方程式(COLOR(Red){4/18はここまで})

第２章　熱力学第１法則~
§熱力学第１法則（内部エネルギーの定義）、§熱の定義、~
§定積熱容量(COLOR(Red){4/25はここまで})、
§エンタルピーと定圧熱容量
§理想気体のU, H, Cp(COLOR(Red){5/02はここまで}), 
§断熱準静的過程、断熱曲線(COLOR(Red){5/09はここまで})、~
§熱源、§定温過程、§等温準静的過程(COLOR(Red){5/16はここまで})
（理想気体の最小仕事の原理）§熱機関（２温度熱機関の具体例(COLOR(Red){5/23はここまで})、カルノー機関)

第３章　熱力学第２法則~
§章の概要（第二法則の本質、実現しないさまざまな熱力学過程）~
§カルノーの定理(２温度熱機関の熱効率に関する定理）(COLOR(Red){5/30はここまで})~
§第二法則；整理の方針~
§エントロピー（３通りの定義、換算熱）~
§エントロピーの計算例（理想気体(COLOR(Red){6/06はここまで})、熱源）~
§エントロピーと熱力学第２法則（カルノー原理、エントロピー増大則、増大則の具体例）~
§偏微分(COLOR(Red){の途中6/13はここまで})、~
§dS/dV=dP/dT の証明(COLOR(Red){6/20はここまで})
§エネルギー方程式、偏微分を用いた内部エネルギー、エントロピーの計算(例：ファンデルワールス気体)

第４章　自由エネルギー~
§ヘルムホルツの自由エネルギー(導入の動機、自由エネルギーの定義(COLOR(Red){6/27はここまで}), 定温過程における最小仕事)~
§ヘルムホルツの自由エネルギーと熱力学関係式、マクスウェルの関係式~
§ギプスの自由エネルギー(熱力学関係式、導入の背景)(COLOR(Red){7/4はここまで})
//§理想混合気体(分圧の法則)~
//§化学反応(復習と補足)~
// 化学ポテンシャル(理想気体を例として)~
//§ギプスの自由エネルギーと化学反応(質量作用の法則の導出)~

***''前提とする知識''：　
高校までに習う物理と高校で習う微分、積分

***''参考書''：　
教科書は特に指定しない。以下のものを参考書として挙げておく。いずれか一冊を購入し、講義と平行して各自が読むことを強く勧める｡

・「熱力学」　フェルミ著　加藤正昭訳　三省堂~
(Thermodynamics, Enrico Fermi, Dover 154pages)~
駒場の前期課程の内容にほぼ一致した教科書。著者はノーベル物理学賞受賞者で有名~

・「熱力学入門」　佐々真一著　共立出版 134pages~
駒場の前期課程の内容にほぼ一致した教科書。論理展開が緻密。著者は物理学者~

・「基礎から学ぶ熱力学」　大野公一著　岩波書店　168pages~
駒場の前期課程の内容にほぼ一致した教科書。論理展開が緻密。著者は化学者~

・「アトキンス　物理化学（上）第６版」アトキンス著　東京化学同人　488pages~
熱力学から化学への応用（反応、相平衡）までを丁寧に記述した教科書。特に化学方面のプロを目指す人は持っていてよいと思う。演習問題が豊富。~

・「熱力学= 現代的な視点から」田崎晴明著　培風館　302pages~
熱力学に関する本格的教科書。講義の範囲より多くの内容を含んでいる。
論理展開が緻密。著者は物理学者。熱の定義の箇所など話の流れは講義と異なるが大いに参考になる本。

・「熱力学の基礎」清水明著　東大出版会　408pages~
熱力学に関する本格的教科書。講義の範囲より多くの内容を含んでいる。論理展開が緻密。著者は物理学者。エントロピーや温度の導入の箇所など話の流れは講義と大きく異なるが大いに参考になる本。

・「大学演習　熱統計力学」久保亮五編　裳華房~
程度は高いが物理方面のプロを目指す人は持っているべき。熱力学と統計力学でここにない問題を作るのは難しいと言われる。~

***''準参考書''：　
物理学という学問の特徴が良くわかる啓蒙書~

・「物理学とは何だろうか　上下」　朝永振一郎　岩波新書　246pages~
上巻の２章において熱力学第２法則成立の経緯について生き生きと描かれている。

・「熱学思想の史的展開　熱とエントロピー」　山本義隆著　現代数学社　593pages~
熱力学成立の歴史が迫力のある筆致で描かれている。最近文庫本が出版された。

***''成績評価''：　
期末試験とレポート課題（数回）における得点で評価。なおレポートについての注意参照。~

***レポート課題に関する注意：~

作成に際して参考にした文献、議論した相手の氏名を明記すること。友人同士の議論は大いに奨励する。議論相手を明記しない同一内容のレポート答案が見つかった場合には不正行為とみなすことがある。 ~
〆切を過ぎたレポートは原則として採点しない。 ~
レポート問題に対する解答がわからない場合でも「何が」「どのように」わからないのかを自分なりに分析した結果をまとめての述べること。ただ「わかりません」と書いてある答案は無効とする。 ~
レポート答案に、講義に対する要望、苦情、感想を書いて頂くことがあります。そこで書かれていた皆さんのコメントは匿名の形で、このWEBページその他で公開することがありますのでご了承ください． ~

***''授業評価アンケート''：　最終回に授業評価アンケートを実施する予定。

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