化工熱力学

Chemical Engineering Thermodynamics

994257V

42CHCHE206

大竹　勝人

Katsuto Otake

2023年度後期

2023 Second semester

水曜2限

Wednesday, 2nd period.

工学部　工業化学科

Department of Industrial Chemistry, Faculty of Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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本講義は対面授業に参加することを基本とするが，必要に応じてZoomによる同期遠隔授業を行う。また，講義動画は後日LETUSにアップロードする。

This lecture is based on participation in face-to-face classes, but synchronous distance learning via Zoom will be conducted if necessary. Lecture videos will be uploaded to LETUS at a later date.

熱力学の基礎的な概念に基づいた，エネルギー収支・相平衡・化学平衡の考え方を学ぶ。相平衡計算の原理を理解し，理想的な系の基礎的な平衡計算ができるようになる。

Learn the concepts of energy balance, phase equilibrium, and chemical equilibrium based on the basic concepts of thermodynamics. Understand the principles of phase equilibrium calculations and be able to perform basic equilibrium calculations for ideal systems.

熱力学は，自然現象の理解に重要な学問である。本講義では，工業化学において重要なエネルギー収支，相平衡，化学平衡などに関して熱力学に基づいて理解できるようになることが，目的である。
本学科のカリキュラムポリシーに定める『工業化学分野における研究者・技術者等に必要な能力を養うための「専門科目」』に相当する。

Thermodynamics is an important science for understanding natural phenomena. The purpose of this course is to enable students to understand energy balance, phase equilibrium, and chemical equilibrium based on thermodynamics, which are important in industrial chemistry.
This course is equivalent to "specialized subjects" to develop abilities necessary for researchers and engineers in the field of industrial chemistry, as specified in the curriculum policy of this department.

熱力学関係式に基づき、理想的な場合における熱力学的相平衡、化学平衡に関する計算ができるようになる。また、非理想的な場合の計算方法について理解する。

Students will be able to perform calculations for thermodynamic phase and chemical equilibria in the ideal case based on thermodynamic equations. Students will also be able to understand the calculation methods for non-ideal cases.

専門分野の応用知識/学習意欲

随時演習問題を課するので、関数電卓、A4レポート用紙を持参すること。

Bring a functional calculator and A4 report paper.

小テストの実施　Quiz type test

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毎回授業の終わりに，次回の講義の教科書の該当部分を指示するので，読んでくること。

At the end of each class, you will be instructed on the relevant part of the textbook for the next lecture, so be sure to read it.

到達度評価試験および授業中の演習から総合的に評価する。成績評価の割合は，おおむね以下の通りとする。
到達度評価：６０％程度
授業中課題：４０％程度

Comprehensive evaluation will be made from the achievement test and the exercises in the class. The percentage of grading will be as follows.
Achievement evaluation: about 60%.
In-class assignments: about 40%.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

Y

演習　化学工学熱力学
大竹　伝雄，平田光穂 共著
丸善株式会社　ISBN 4-621-03626-2 C 3058

教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

化学プロセス計算 浅野康一著 共立（1987）
速度論　小宮山　宏著　朝倉（1990）
アトキンス　物理化学、東京化学同人

第01回　熱力学と化学工学、エネルギー
　熱力学と化学工学の関係を学ぶ。エネルギーとは何かを定義する。これから化学工学熱力学を学ぶ上での基本概念と用語を理解する。

第02回　熱力学の第1法則
　熱力学的平衡、示強変数と示量変数、共役の関係、閉じた系と開いた系におけるエネルギー収支、エントロピー、エンタルピー、熱力学第一法則について理解する。

第03回　エンタルピー（１）
　物理的変化、化学的変化、および流れを伴う場合のエンタルピー変化の計算方法を学び、簡単なエンタルピー計算ができるようになる。

第04回　エンタルピー（２）
　溶解・混合のエンタルピーについて理解する。「混合」の意味するところを明確にし、簡単な混合熱の計算ができるようになる。

第05回　エントロピー（１）
　エントロピーの意味するところを理解し、熱力学の第2法則とClausiusの不等式について学ぶ。代表的な過程（低温・定圧・定容・断熱）におけるエントロピー変化の計算方法を理解する。

第06回　エントロピー（２）
　熱力学と統計力学の関係から、エントロピーの重要性を学ぶ。熱力学の第3法則を理解する。

第07回　エントロピー（３）
　カルノーサイクルを導入し、エントロピーが状態量であることを理解する。カルノーサイクルと逆カルノーサイクルの考え方から、冷房・暖房の成績係数、熱効率が意味するところを理解する。

第08回　自由エネルギー（１）
　Gibbsの自由エネルギーの意味するところを理解する。併せてHelmholtzの自由エネルギーについても学び、束縛エネルギーの概念を理解する。
　熱力学の四つの自由エネルギー、平衡状態の求め方、理想気体の内部エネルギー、気体の諸過程と内部エネルギー、閉じた系のエネルギー収支について理解する。

第09回　熱力学関係式
　熱力学の第1法則、第2法則、エンタルピー、Gibbsの自由エネルギー、Helmholtzの自由エネルギーの定義式から、熱力学で取り扱う状態量の微分関係式、各状態量間の微分関係式を導出できるようになる。

第10回　相平衡（１）
　平衡条件と熱力学ポテンシャル関数の関係を理解する。エクセルギーについて理解し、その計算方法を学ぶ。

第11回　相平衡（２）
　Gibbsの自由エネルギーと化学ポテンシャルの関係を学び、純物質の相平衡の考え方を理解する。多成分系の相平衡の考え方から、Gibbsの相律を導出する。

第12回　相平衡（３）
　純物質の相図を理解し、Clapeyronの式から、相平衡の圧力依存性の計算方法を学ぶ。水の特異性とその起源について学ぶ。

第13回　相平衡（４）
　理想気体、および実在気体の状態方程式を学ぶ。3次の状態方程式と相平衡計算の条件を理解する。

第14回　状態方程式とFugacity
　純物質の実在気体のGibbsの自由エネルギーを計算するためにFugacityを導入する。飽和蒸気と飽和液体のFugacityの計算方法を理解する。
　実在気体の混合物のGibbsの自由エネルギーを計算するために、活量を導入する。反応平衡と化学ポテンシャルの関係を理解する。混合物の相平衡を計算するための大まかな方法を理解する。

第15回　到達度評価

Part 01: Thermodynamics and Chemical Engineering, Energy
　Learn about the relationship between thermodynamics and chemical engineering. Define what energy is. Understand the basic concepts and terminology used in the study of chemical engineering thermodynamics.

Part 02: First Law of Thermodynamics
　To understand thermodynamic equilibrium, strong and weak variables, conjugate relation, energy balance in closed and open systems, entropy, enthalpy, first law of thermodynamics.

Part 03: Enthalpy (1)
　Students will learn how to calculate enthalpy change in the case of physical change, chemical change, and with flow, and will be able to perform simple enthalpy calculations.

Part 04 Enthalpy (2)
　To understand the enthalpy of dissolution and mixing. Understand the enthalpy of melting and mixing, clarify the meaning of "mixing", and be able to calculate simple heat of mixing.

No.05 Entropy (1)
　Understand the meaning of entropy and learn about the second law of thermodynamics and Clausius inequality. Understand how to calculate entropy change in typical processes (low temperature, constant pressure, constant volume, adiabatic).

No.06 Entropy (2)
　Learn the importance of entropy in relation to thermodynamics and statistical mechanics. To understand the third law of thermodynamics.

Session 07: Entropy (3)
　Students will be introduced to the Carnot cycle and understand that entropy is a state quantity. Understand the meaning of performance factor and thermal efficiency of cooling and heating based on the concept of Carnot cycle and reverse Carnot cycle.

Session 08: Free Energy (1)
　Students will understand the meaning of Gibbs' free energy. Students will also learn about Helmholtz's free energy and understand the concept of bound energy.
　Understand the four free energies of thermodynamics, how to find the equilibrium state, internal energy of ideal gas, various processes and internal energy of gas, and energy balance of closed system.

09. Thermodynamic equations
　Students will be able to derive differential equations for state quantities and differential equations between state quantities treated in thermodynamics from the definition equations of the first and second laws of thermodynamics, enthalpy, Gibbs' free energy, and Helmholtz' free energy.

No.10 Phase Equilibrium (1)
　Understand the relationship between equilibrium conditions and thermodynamic potential functions. Understand exergy and learn how to calculate it.

11 Phase Equilibrium (2)
　To understand the relationship between Gibbs free energy and chemical potential, and to understand the concept of phase equilibrium of pure materials. To derive Gibbs' phase law from the concept of phase equilibrium of multicomponent systems.

Phase equilibria (3)
　Understand the phase diagram of pure substances and learn how to calculate the pressure dependence of phase equilibria from Clapeyron's equation. Learn about the singularity of water and its origin.

Phase equilibria (4)
　Students will learn the equation of state for ideal and real gases, and understand the third-order equation of state and the conditions for calculating phase equilibria.

14 Equation of State and Fugacity
　Introduce Fugacity to calculate Gibbs' free energy of real gas of pure substance. Understand how to calculate the Fugacity of saturated vapor and saturated liquid.
　Introduce Fugacity to calculate Gibbs' free energy of a mixture of real gases. Understand the relationship between reaction equilibrium and chemical potential. To understand the general method for calculating phase equilibria of mixtures.

15. Achievement evaluation

大竹：国内国立研究機関の研究員（化学工学系）の勤務実績を活かし講義する。

Otake: This lecture will be based on his experience as a researcher (chemical engineering) at a national research institute in Japan.

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