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
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
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。
- 「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
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。
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。