熱力学２

Thermodynamics 2

9982212

82FSPHY202

麻生　隆彬

Ryuji Tamura

2025年度後期

2025年度

②Second semester

木曜2限

Thursday 2nd period

先進工学部　マテリアル創成工学科

Department of Materials Science and Technology, Faculty of Advanced Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

本科目はカリキュラムポリシーにおける専門家としての能力を養うための「専門科目　必修科目」の一つである。
熱力学１に続いて、材料工学分野の基礎である、熱力学と統計力学の理解を深める。熱力学は巨視的な現象を扱うが、古典統計力学は微視的な対象（古典系）から巨視的な現象への橋渡しを行う。同様に、量子統計力学が、微視的な対象（量子系）から固体物理学への橋渡しを行う。

This course is one of the 'specialized compulsory courses' designed to develop expertise, as outlined in the curriculum policy.
Following Thermodynamics I, this course aims to deepen the understanding of thermodynamics and statistical mechanics, which are fundamental to the field of materials engineering. Thermodynamics deals with macroscopic phenomena, while classical statistical mechanics serves as a bridge from microscopic systems (classical systems) to macroscopic phenomena. Similarly, quantum statistical mechanics connects microscopic systems (quantum systems) to solid-state physics.

古典統計力学を踏まえて熱力学を理解する。量子統計力学から固体物理学への発展を理解する。

Understand thermodynamics based on classical statistical mechanics. Comprehend the development from quantum statistical mechanics to solid-state physics.

状態和、温度、エントロピー、自由エネルギー、正準集合などの概念を理解する。固体の比熱、化学反応の平衡、規則不規則変態、相図などを理解する。ボルツマン分布、フェルミ分布、ボーズ分布を理解する。金属（自由電子）、磁性体（スピン）、半導体（バンドギャップ）などを理解する。

Understand concepts such as the partition function, temperature, entropy, free energy, and canonical ensemble. Comprehend specific heat of solids, chemical reaction equilibrium, order-disorder transitions, and phase diagrams. Understand Boltzmann distribution, Fermi distribution, and Bose distribution. Gain an understanding of metals (free electrons), magnetic materials (spins), and semiconductors (band gaps).

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

小テストの実施　Quiz type test／-

（準備学習）次の講義で行われると予想される教科書の部分を予習することが望ましい。
（復習）教科書の各章が終わったら、章末の演習問題を解いてみることを勧める。

(Preparation Study) It is advisable to prepare for the parts of the textbook that are expected to be covered in the next lecture.
(Review) After completing each chapter in the textbook, I recommend that you try solving the practice problems at the end of the chapter.

毎回の小テストと最後の達成度評価で行う。

This is done during each quiz and the final achievement evaluation.

・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

材料科学者のための統計熱力学入門　志賀正幸著（内田老鶴圃）

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。
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

大学演習　熱学・統計力学（修訂版）久保亮五編（裳華房）
キッテル　固体物理学入門(上)(下) 第8版　Charles Kittel著　宇野良清、津屋昇、新関駒二郎、森田章、山下次郎　共訳（丸善）

全対面授業回の受講を原則とします。なお、成績評価点は「成績評価方法」に従います。

１．本講義の目的と講義内容、物理学の中の熱力学と統計力学
２．比熱の定義とアインシュタイン・モデル、ボルツマン分布
３．状態和と温度の定義
４．エントロピーと自由エネルギー
５．統計熱力学の基礎概念、正準集合
６．理想気体、古典粒子の統計力学
７．量子統計１、金属中の自由電子
８．量子統計２、比熱のデバイ・モデル
９．２準位系と常磁性体の磁化率
10．固体の平衡蒸気圧、化学反応の平衡
11．固体の空孔濃度、合金の規則不規則変態
12．強磁性体と２次の相転移、帯電粒子の振る舞い
13．半導体のフェルミ準位
14．相図、合金の自由エネルギーの算出と状態図
15．達成度評価

Attendance at all in-person classes is required in principle. The grading will be based on the criteria outlined in the 'Grading Method' section.

1. Purpose and content of this lecture, thermodynamics and statistical mechanics in physics
2. Definition of specific heat, Einstein model, and Boltzmann distribution
3. Partition function and definition of temperature
4. Entropy and free energy
5. Fundamental concepts of statistical thermodynamics, canonical ensemble
6. Ideal gas and statistical mechanics of classical particles
7. Quantum statistics I: Free electrons in metals
8. Quantum statistics II: Debye model for specific heat
9. Two-level systems and magnetic susceptibility of paramagnets
10. Equilibrium vapor pressure of solids and chemical reaction equilibrium
11. Vacancy concentration in solids and order-disorder transitions in alloys
12. Ferromagnetic materials, second-order phase transitions, and behavior of charged particles
13. Fermi level in semiconductors
14. Phase diagrams, calculation of free energy in alloys, and phase diagrams
15. Achievement assessment

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