熱力学２｜シラバス情報

科目授業名称（和文）　Name of the subject/class (in Japanese)

熱力学２

科目授業名称（英文）　Name of the subject/class (in English)

Thermodynamics 2

授業コード　Class code

9982212

科目番号　Course number

82FSPHY202

教員名

木村　薫

Instructor

Kaoru Kimura

開講年度学期

2026年度後期

Year

2026年度

Semester

②Second semester

曜日時限

木曜2限

Class hours

Thursday 2nd period

開講学科・専攻　Department

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

単位数　Course credit

2.00単位

授業の方法　Teaching method

講義

Lecture

外国語のみの科目（使用言語）　Course in only foreign languages (languages)

-

授業の主な実施形態　Main class format

① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

概要　Description

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.

目的　Objectives

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.

到達目標　Outcomes

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、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）、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), and magnetic materials (spins).

卒業認定・学位授与の方針との関係（学部科目のみ）

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/

履修上の注意　Course notes prerequisites

熱力学１と量子力学の講義内容を理解していることが望ましい。
本講義の内容は、固体物理学１と固体物理学２の講義内容の理解に繋がる。

It is desirable to have an understanding of the content covered in Thermodynamics I and Quantum Mechanics.
The content of this lecture will lead to a better understanding of Solid-State Physics I and Solid-State Physics II.

アクティブ・ラーニング科目　Teaching type（Active Learning）

小テストの実施　Quiz type test／-

-

準備学習・復習　Preparation and review

（準備学習）次の講義で使われるプリントと、対応する教科書の部分を予習することが望ましい。
（復習）各講義の最後に出た小テストの問題を、もう一度解きながら、講義のプリントの内容を復習してほしい。教科書の各章が終わったら、章末の問題を解いてみてほしい。

(Preparation Study) It is recommended that you study the handouts for the next lecture and the corresponding sections of the textbook in advance.
(Review) I would like you to review the contents of the lecture handouts while answering the questions in the quizzes at the end of each lecture. After you have finished each chapter in the textbook, I would like you to try answering the questions at the end of the chapter.

成績評価方法　Performance grading policy

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.

学修成果の評価　Evaluation of academic achievement

・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

教科書　Textbooks/Readings

教科書の使用有無（有=Y , 無=N）　Textbook used(Y for yes, N for no)

Y

書誌情報　Bibliographic information

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）

MyKiTSのURL（教科書販売サイト）　URL for MyKiTS(textbook sales site)

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/

参考書・その他資料　Reference and other materials

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）

授業計画　Class plan

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、マテリアルの世界と現代物理学、講義の相関
２．ミクロカノニカル分布（調和振動子系）、微子状態の数とエントロピー、温度
３．カノニカル分布（調和振動子系）、状態和
４．カノニカル分布（箱の中の自由粒子）、自由エネルギー
５．カノニカル分布（一次元鎖、スピン系）、ゴム弾性、常磁性
６．フェルミ分布とボーズ分布、ボルツマン分布
７．グランドカノニカル分布（箱の中の自由粒子）
８．熱平衡状態の統計力学的意味、カノニカル分布の特徴
９．古典統計力学、エネルギー等分配則
10．フェルミ分布の応用（電子比熱）
11．ボーズ分布の応用（格子比熱）
12．固体の平衡蒸気圧、化学反応の平衡、固体の空孔濃度、合金の規則不規則変態
13．２準位系と常磁性体の磁化率、強磁性体と２次の相転移、帯電粒子の振る舞い
14．質問への回答
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. Lecture Objectives and Contents, The Material World and Modern Physics, and Correlation Between Lectures 
2. Microcanonical Distribution (Harmonic Oscillator System), Number of Microstates and Entropy, Temperature 
3. Canonical Distribution (Harmonic Oscillator System), Sum of States 
4. Canonical Distribution (Free Particle in a Box), Free Energy 
5. Canonical Distribution (One-Dimensional Chain, Spin System), Rubber Elasticity, Paramagnetism 
6. Fermi Distribution, Bose Distribution, Boltzmann Distribution 
7. Grand Canonical Distribution (Free Particle in a Box) 
8. Statistical Mechanical Meaning of Thermal Equilibrium, Characteristics of the Canonical Distribution

9. Classical statistical mechanics, energy equipartition law 
10. Application of Fermi distribution (electron specific heat) 
11. Application of Bose distribution (lattice specific heat) 
12. Equilibrium vapor pressure of solids, equilibrium of chemical reactions, vacancy concentration in solids, order-disorder transformation of alloys 
13. Two-level systems and magnetic susceptibility of paramagnetic materials, ferromagnetic materials and second-order phase transitions, behavior of charged particles
14. Answers to Questions
15. Achievement assessment

担当教員の実務経験とそれを活かした教育内容　Work experience of the instructor

木村薫は、東京大学理学部物理学科から理学系研究科物理学専攻に進学し、1984年に博士課程を修了しました。その後、東京大学物性研究所で助手を務めました。そして、1989年から2022年までの約33年に亘って、東京大学工学部金属材料学科、材料学科、マテリアル工学科において、材料工学に必要な物理学（量子力学、統計力学、固体物理学）の講義や学生実験の指導を行いました。
　本講義は、その統計力学の講義を基礎として、教科書である「材料科学者のための統計熱力学」の内容を理解できるように行います。

     Kaoru Kimura graduated from the Department of Physics, Faculty of Science, The University of Tokyo, and went on to the Department of Physics, Graduate School of Science, where he completed his doctoral studies in 1984. He then served as an assistant professor at the Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo. For near 33 years, from 1989 to 2022, he lectured on physics (quantum mechanics, statistical mechanics, solid state physics) necessary for materials engineering and supervised student experiments in the Departments of Metals Science, Materials Science, and Materials Engineering, Faculty of Engineering, The University of Tokyo.

     This lecture will build on the foundation of the statistical mechanics lecture and will enable students to understand the contents of the textbook "Statistical Thermodynamics for Materials Scientists."

教育用ソフトウェア　Educational software

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備考　Remarks

授業でのBYOD PCの利用有無　Whether or not students may use BYOD PCs in class

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授業での仮想PCの利用有無　Whether or not students may use a virtual PC in class

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