授業科目

基礎物理化学
Basic Physical Chemistry 

担当者

教授   河合 明雄
前 火4

単位

2

到達目標

化学物質の集団(系)が自然に変化する現象(自発的変化の現象)について、その仕組みを理解するために見出された熱力学第一法則、熱力学第二法則、熱、仕事、状態量(内部エネルギー、エンタルピー、エントロピー、ギブズエネルギーなど)の概念について、自らの言葉で説明ができようになることを目指す。また具体的な化学物質の系の変化について、状態量の変化量について計算できることを目標とする。

授業内容

化学物質やその集団(系)について、エネルギー、熱、仕事に関する基本的な法則として知られる熱力学を学ぶ。熱力学の主な内容は、(1)エネルギー保存則(熱力学第一法則)、(2)系の変化の非可逆性の法則(熱力学第二法則)である。(1)では、熱や仕事の量が変化の道筋に依存するが、それらの和は変化の道筋に無関係であることを学ぶ。(2)では、仕事は熱に百パーセント変えられるが、その逆は不可能であることを学ぶ。これらを基にして、化学物質の系の変化に伴う状態量変化、熱、仕事について、量に基づいた説明をする練習をし、また熱機械(ガソリンエンジンやジェットエンジンなど、熱から仕事を得る機械)の動作原理や効率について解説する。

授業計画

予習:各回の内容で、不明なキーワードについて調べておくこと。復習:(1)各回のキーワードが説明できるか、(2)学んだ概念を実践的に使えるか、について自己検証する。(1)については各キーワードを自らの文章で簡潔にまとめ、(2)は数値や式に関する演習問題を解けるかで、確認する。
1 物質の状態をあらわす方程式
   物質のマクロな状態量(圧力、温度、体積)、理想気体と実在気体の状態方程式、気体圧力の分子運動による説明
2 気体分子の温度と速度分布
   気体分子の運動エネルギーと温度、内部エネルギーと気体分子速度、気体分子速度のMaxwell-Boltzmann分布
3 熱と仕事
   系と外界、状態変化と準静的過程、熱と仕事の等価性    
4 熱力学第一法則(1)
   状態変化と内部エネルギー、エネルギー保存則
5 熱力学第一法則(2)
   熱容量、エンタルピー
6 化学反応とエンタルピー
   標準生成エンタルピー、反応エンタルピー
7 熱力学第二法則(1)
   エントロピー、可逆変化と非可逆変化
8 熱力学第二法則(2)
   エントロピー変化量の計算
9 物質のミクロレベルでの秩序構造と熱力学第三法則
   エントロピーの統計的解釈、エントロピー絶対値と標準エントロピー
10 化学物質が担う熱機関の最大効率
   カルノーサイクル、熱効率
11 系の自発変化と自由エネルギー(1)
   定温定圧過程とギブズエネルギー、定温定積過程とヘルムホルツエネルギー
12 系の自発変化と自由エネルギー(2)
   圧力変化や温度変化とギブズエネルギー
13 化学平衡
   ギブズエネルギーによる化学平衡の表現
14 全体のまとめと演習

授業運営

全て講義形式による。
資料を配布し、パワーポイントと板書で講義する。
適宜、講義時間内で演習を行なう。

評価方法

定期試験(70%)と講義での演習レポート(30%)により評価する。
試験での持ち込みは不可。

オフィスアワー

メールで予約をして研究室を訪問すること。
連絡先は講義で説明する。

参考書

アトキンス『アトキンス』8版[東京化学同人(物理化学(上))]2009
山内淳『基礎物理化学II[新訂版]-物質のエネルギー論-』新訂版[サイエンス社(新・物質科学ライブラリ)]2017

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