理学部化学科

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物理化学演習I
Seminar in Physical Chemistry I

担当教員 石井 淳一・桒原 彰太・福本 喜久子・満田 深雪
必修 | 1単位 | 2年春学期

授業目的

の関連 熱力学を中心とする物理化学Ⅰの講義で習得した理解を補強化し、物理的・化学的な現象(化学反応など)について熱力学的視点から考察できるようになる。そのために、熱力学の基礎的内容について自ら積極的に問題を解き、一層理解を深めることを目的とする。

授業内容

1.熱力学第一法則
2.熱力学第二法則
3.自由エネルギー
No.1 1.ガイダンス(熱力学の歴史とその概念)
・熱機関の開発から生まれた熱力学。
・熱の仕事当量とは何か。熱エネルギー(cal)と仕事のエネルギー(J)の等価性の発見。
・熱力学第一法則(エネルギーの保存則)とは何か。
・永久機関とは何か。
・エントロピーとは何か。
・エントロピーの分子論的意味が「化学」に重要な理由。
No.2 2.単位の意味
・SI基本単位とSI誘導単位とは何か。
・単位換算の重要性を例題および課題を通して理解する。

3.不可逆過程と可逆過程
・理想気体の膨張収縮で変化する熱力学パラメータとは何か。
・不可逆過程と可逆過程における各熱力学パラメータの計算方法を圧力(P)-体積(V)図から考える。
・演習問題を通じて不可逆過程と可逆過程を深く理解する。
No.3 4.熱力学パラメータとそれらの計算方法
・状態量(示量性、示強性)とは何か。
・PV図からみた経路の違いによる各熱力学パラメータの計算方法の復習。
・完全微分と不完全微分とは何か。
・演習問題を通じてPV図の有用性を理解する。
No.4 5.物理化学Ⅰで使用する数学的知識の復習
・指数/累乗根/対数/微分/積分の公式整理。
・多変数関数とその導関数(偏導関数、偏微分)とは何か。
・全微分とは何か。3次元座標から考える。
・演習問題を通じて公式の利用方法を習得する。
No.5 6.ジュールの実験(理想気体の真空中への自由膨張)
・ジュールの実験の意味と、その結果の数学的表現方法(偏微分での表現)。

7.理想気体の定積変化と定圧変化の考え方
・エンタルピーとは何か。
・定積と定圧過程の整理。
・演習問題を通じてエンタルピーの概念を理解する。
No.6 8.ヘスの法則と標準生成エンタルピーおよび標準燃焼熱
・気体の化学反応で生じる膨張または収縮の仕事と熱(反応熱)の関係。
・ヘスの法則とは何か。
・ヘスの法則を用いた標準生成エンタルピーの計算方法。
・演習問題を通じてエンタルピーの計算方法を深く理解する。
No.7 9.熱容量
・熱容量の種類(定積熱容量と定圧熱容量)とその意味。
・定積熱容量と定圧熱容量の数学的表現方法(偏微分での表現)。
・演習問題を通じて熱容量の概念を理解する。
No.8 10.マイヤーの関係式
・定積および定圧熱容量の数学的表現方法(偏微分での表現)を用いてマイヤーの関係式を表現する。
・全微分とジュールの法則を利用したマイヤーの関係式の証明。
・マイヤーのサイクルを利用したマイヤーの関係式の証明。
・マイヤーの関係式が示す結果とは何か。
・演習問題を通じてマイヤーの関係式を理解する。
No.9 11.断熱過程
・断熱過程の考え方。
・断熱過程における熱力学的パラメータの計算方法。
・ポアソンの式とは何か。
・PV図を利用し定温膨張と断熱膨張の違いを理解する。
・演習問題を通じて断熱過程における熱力学的パラメータの計算を深く理解する。
No.10 12.カルノー可逆サイクル
・カルノー可逆サイクルとは何か。
・カルノー可逆サイクルを構成する定温/断熱過程とその関係式。
・仕事効率とは何か。カルノー可逆サイクルから考える。
・演習問題を通じてカルノー可逆サイクルで発生する仕事と熱量の関係を理解する。
No.11 13.熱力学第二法則
・トムソンの原理とクラウジウスの原理とは何か。
・エントロピーとは何か。
・カルノー可逆サイクルをエントロピーから考える。「PV図」と「温度(T)-エントロピー(S)図」の比較。
・熱力第二法則によって示される不可逆過程とは。
・エントロピー増大の法則とは何か。
・演習問題を通じてエントロピーの概念を理解する。
No.12 14.エントロピーの計算
・相変化に伴うエントロピー計算。
・温度変化に伴うエントロピー計算Ⅰ(定圧熱容量が一定の場合)。
・温度変化に伴うエントロピー計算Ⅱ(定圧熱容量が温度によって変化する場合)。
・理想気体の体積変化で生じるエントロピー計算(定温過程の場合)
・理想気体の混合に伴うエントロピー計算(定温定圧過程の場合)
・様々な演習問題を通じてエントロピーを深く理解する。
No.13 15.ヘルムホルツの自由エネルギー
・ヘルムホルツの自由エネルギーとは何か。定温定積過程から考える。
・ヘルムホルツ自由エネルギーの計算方法。
・様々な演習問題を通じてヘルムホルツ自由エネルギーを深く理解する。
No.14 16.ギブズの自由エネルギー
・ギブズ自由エネルギーとは何か。定温定圧過程から考える。
・ギブズ自由エネルギーの計算方法。
・様々な演習問題を通じてギブズ自由エネルギーを深く理解する
No.15
学習到達度の確認

関連科目

予め学んでおくべき科目:物理化学Ⅰ(再履修クラス)物理化学Ⅰ
この科目に続く内容の科目:物理化学Ⅱ 物理化学Ⅱ(再履修クラス) 物理化学演習Ⅱ

教科書・参考書

【教科書】
  • 教科書は指定しない。事前配布の冊子を用いて演習を行う。
【参考書】
      
  • 「エンゲル・リード物理化学(上)」(THOMAS ENGEL・PHILIP REID著、稲葉 章 訳、東京化学同人)
  • 「概説 物理化学」(阪上信次ら共著,共立出版)
  • 「演習 物理化学」(阪上信次ら共著,共立出版)
  • 「化学熱力学入門」(由井宏治著、オーム社)
  • 「右脳式 演習で学ぶ物理化学 熱力学と反応速度」(上松敬喜ら共著、三共出版)
  • 「化学入門コース2 物理化学」(関一彦著、岩波出版

評価方法

石井:定期試験(70%)および授業中の演習問題(30%)の解答内容で評価する。
   定期試験は例題および演習問題を中心に出題する。
  
桒原:期末試験の結果から評価する。
   Moodle上で各講義で解いた演習問題の解答例を改めて掲示し、復習に役立ててもらう。

福本:レポート課題20%、Moodleへの解答提出10%、期末試験70%
   授業内で行った演習問題の詳しい解答は、Moodleでも提示する。
   レポート課題は授業内で返却する。
   期末試験後、解答例を配布する。

満田:定期試験の結果および通常授業から評価する。(期末試験90%、演習解答およびレポート10%)
   フィードバックについては、レポート課題について、提出されたものを次回の授業で解説する

オフィスアワー

石井:昼休み(12:20~12:50)、木曜2限
桒原:水曜日の12:00~13:00、木曜日の12:00~13:00
福本:Moodleのメッセージ機能にて連絡すること。
満田:授業終了後(月曜昼休み)、講師室(3号館5F)にて、または質疑応答はMoodle or メールにて対応。

その他

担当教員ごとのクラスに別れて演習を行う。内容および進行順序が多少異なる場合もある。毎回の授業で演習を行うので必ず電卓を持参のこと。

お問い合わせ先

東邦大学 理学部

〒274-8510
千葉県船橋市三山2-2-1
習志野学事部

【入試広報課】
TEL:047-472-0666

【学事課(教務)】
TEL:047-472-7208

【キャリアセンター(就職)】
TEL:047-472-1823

【学部長室】
TEL:047-472-7110