物理化学１

Physical Chemistry 1

9972311

72CHPHC201

湯浅　真

Makoto Yuasa

2023年度前期

2023 First Semester

水曜3限

Wednesday, 3rd Period

創域理工学部　先端化学科

Department of Pure and Applied Chemistry, Faculty of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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対面授業

化学問題を物理学的手法で研究する化学、すなわち、物理化学の領域の中で、化学熱力学、化学平衡論および化学反応速度論が基本となる。その中で、物理化学１は「化学熱力学」について勉強する。特に、物質の状態とエネルギー、物質の状態変化とエントロピー、熱力学ポテンシャル等について、熱力学の第一法則、第二法則および第三法則や状態量（状態関数）等を踏まえて学習する。

「化学熱力学」における基本的な体系である古典的かつ巨視的な化学熱力学、すなわち、古典熱力学を理解する。
さらに、本学科が定めるポリシーにおける専門知識の滋養、研究者・技術者の育成実現等のための物理化学系の選択必修科目の一つでもある。

本学科が定めるポリシーの研究者・技術者への実現に向けて、熱力学の第一法則、第二法則および第三法則や状態量（状態関数）等を礎にして、物質の状態とエネルギー、物質の状態変化とエントロピー、熱力学ポテンシャル等を説明できるようにし、これらを基本骨格とする「化学熱力学」を会得できるようにすることが目標である。

基礎学力（基礎科学）/基礎学力（専門）

既習得科目：化学１−Ａおよび演習、化学１−Ｂおよび演習、物理学Ａ、数学、微分積分学 等。
同時に習得すべき科目：物理化学２、量子化学、化学数学、応用物理化学１、物理化学実験 等。

小テストの実施　Quiz type test／-

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（準備学習）各回の授業前に「１時間程度」、事前配布プリントの対応する部分を読み、理解を深めておくこと。特に、対応する部分のキーワードを授業計画に示しておくので参考にすること。
（復習）各回の講義内容を「３時間程度」復習する。具体的には、プリント、板書したこと、レポート等をまとめ、自分なりのオリジナルノートを作成すること。さらに、講義内容対応するプリントの例題を解き、解析・計算法を理解すること。なお、復習での着目点については授業計画に記載するので参考にすること。

到達度評価試験 5０％、レポート 5０％
【フィードバックの方法】
到達度評価試験、レポート等の質問、解説等は、その後の授業内・授業後、オフィスアワー内での研究室等において対応する。

・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

化学系学生にわかりやすい熱力学・統計熱力学・湯浅　真，北村尚斗・コロナ社・2017・ISBN 978-4-339-06640-1

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１　序論
物理化学の目的および意義、物理化学１、２および３の分担、物理化学１の授業内容、化学熱力学の意義、用語および法則等を学習、理解する。
（復習での着目点）この後多用する熱力学用語、熱力学法則等について確認、理解する。

２〜７　状態とエネルギー：熱力学第一法則
本章では２〜７回目の授業において、熱力学第一法則に関連した化学熱力学（物質の状態とエネルギー）について学習し、例題やレポート等を交えて理解を深める。

２　（１）熱と仕事
熱と仕事の定義、圧力-体積仕事（Ｐ−Ｖ仕事）、可逆的仕事、不可逆的仕事等。
（復習での着目点）熱と仕事、可逆的仕事と不可逆的仕事を比較し、理解する。

３　（２）内部エネルギー
　　（３）熱力学第一法則
　　（４）エンタルピー
エネルギーと内部エネルギー（Ｕ）、Ｕの定義、熱力学第一法則、エンタルピー（Ｈ）の定義等。
（復習での着目点）Ｕ、Ｈ、熱力学第一法則等の意義を理解する。

４　（５）状態量（状態関数）
状態量（状態関数）の定義、状態量と非状態量、関連する数学的知識、状態方程式等。
（復習での着目点）状態量（状態関数）に関連する数学的知識を理解する。

５　（６）状態変化とその過程
圧力-体積-温度（Ｐ−Ｖ−Ｔ）の関係、理想気体、Jouleの法則、過程各論（定容過程、定圧過程、定温過程および断熱過程）、各過程とＰ−Ｖの関係、ポリトロープ過程、循環過程（サイクル変化）、状態変化と熱機関等。
（復習での着目点）基本となる４つの状態変化等を比較し、状態変化とその過程を体系的にまとめ、理解する。

６　（７）熱容量とその諸性質①
熱容量の定義、定容熱容量と定圧熱容量、熱容量の理想気体での関係、熱容量を用いたＵ・Ｈの温度依存性等。
（復習での着目点）定容熱容量と定圧熱容量の違いを比較し、理解する。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
７　（８）熱容量とその諸性質②
　　（９）化学反応と熱変化
Mayerの関係式、膨張率と圧縮率、熱容量と諸係数の関係、断熱過程と定温過程の関係、発熱と吸熱、Hessの法則、Kirhhoffの法則等。
（復習での着目点）Mayerの関係式、断熱過程と定温過程の関係、Kirhhoffの法則等を中心に復習する。

８〜１２　状態変化とエントロピー：熱力学第二、三法則　　　
本章では８〜１２回目の授業において、熱力学第二、三法則に関連した化学熱力学（物質の状態変化とエントロピー）について学習し，例題、レポート等を交えて理解を深める。

８　（１）熱力学第二法則とは
　　（２）Carnotサイクル①
Clausiusの原理、KelvinまたはThomsonの原理、熱力学第一法則と第二法則、過程の方向性と平衡、可逆性と不可逆性、Carnotサイクル等。
（復習での着目点）Carnotサイクルを中心にまとめ、理解する。

９　（３）Carnotサイクル②
　　　（４）エントロピーと熱力学第二法則①
熱機関、熱効率、Carnotサイクルとエンジン、Carnotサイクルと他のサイクル、サイクル変化と状態量、エントロピー（Ｓ）の定義、熱力学第二法則等。
（復習での着目点）新しい状態関数であるＳの定義、導出法等を理解する。

１０　（５）エントロピーと熱力学第二法則②
　　　（６）エントロピーの要約
　　　（７）エントロピーの諸性質①
熱力学第二法則と可逆・不可逆過程、エントロピー（Ｓ）の定義、Ｓの要約、系のエントロピー変化（⊿Ｓ）、可逆・不可逆過程での⊿Ｓ等。
（復習での着目点）熱力学第二法則の意義、Ｓの諸性質等を理解する。

１１　（８）エントロピーの諸性質②
理想気体の⊿Ｓ、理想気体の混合エントロピー、熱移動に伴う⊿Ｓ、相転移と⊿Ｓ、諸過程と⊿Ｓ等。
（復習での着目点）前回授業の（７）を含めエントロピーの諸性質を体系的にまとめ、理解する。

１２　（９）熱力学第三法則
　　　（１０）エントロピーの分子論的解釈
熱力学第三法則、絶対エントロピー、絶対エントロピーの計算、化学反応における⊿Ｓ、エントロピーの分子論的解釈等。
（復習での着目点）熱力学第三法則の意義、エントロピーの分子論的解釈等を理解する。

１３〜１４　熱力学ポテンシャル
本章では１３〜１４回目の授業で、熱力学の諸法則や状態量を踏まえた熱力学ポテンシャルとその関連事項について学習し、例題、レポート等を交えて理解を深める。

１３　（１）熱力学第一法則と第二法則の関係
　　　（２）自由エネルギー
熱力学第一法則と第二法則の結合式、Helmholtzの自由エネルギー（Ａ）、Gibbsの自由エネルギー（Ｇ）、可逆・不可逆過程での自由エネルギー等。
（復習での着目点）ＡとＧの違いを比較し、理解する。

１４　（３）熱力学の基礎方程式
　　　（４）Gibbs−Helmholtz式
熱力学の基礎方程式、基礎方程式と完全微分・偏導関数、Maxwellの関係式、Gibbs−Helmholtz式等。
（復習での着目点）熱力学の基礎方程式を比較し、理解する。

１５　到達度評価
当該授業における到達度を到達度試験により確認する。その後、授業として当該授業科目の内容の総括を行う。

本授業は、物理化学の三本柱（熱力学、平衡論および速度論）の一つであり、従来より十数年以上にわたり講義している。また、授業担当者の専門分野（研究分野）の基礎の一つとなる科目でもあり、この基礎知識を有効に活用して研究を行っている。

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授業は聴講するのが当たり前であり、授業を聴講しないで、期末試験を受けたり、レポートを提出した場合は、本授業の単位は得られません。