熱力学Ⅰ / Thermodynamics I

単位数: 2. 担当教員: 琵琶 哲志. 開講年度: 2024. 科目ナンバリング: TMA-MEE214J.

メディア授業科目/Media Class Subjects

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主要授業科目/Essential Subjects

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授業の目的・概要及び達成方法等

Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。
学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)

１．目的
　熱力学の基本概念と基礎原理を理解し、工業への応用力を養成することを目的とする。特に、近年重要となってきた、地球規模の環境問題に関わるエネルギーの有効利用や省エネルギーの基本概念を理解する。さらに、エンジンや発電所などの熱流体機器の動作原理を学び、人類が限られたエネルギー資源を有効に利用する基本原理を学ぶ。
２．概要
　熱力学の基本原理である系・物質・エネルギーの基本概念から始まり、熱力学第１法則と第２法則を理解し、物質の状態変化を定量的に学ぶ。さらに、ピストンエンジン・ジェットエンジン・蒸気サイクル・冷凍機などの熱機関の動作原理と効率の習得を通して、エネルギーの有効利用についての基本概念を理解する。さらに、物質の状態量変化に関する一般関係やエクセルギー（有効エネルギー）も学ぶ。
３．達成目標等
　この講義では、主に以下の事柄を理解し修得することを目標とする。
　・熱力学の基本概念の理解と定量的計算が可能な応用力の修得
　・熱機関の動作原理を理解し、実在機器の基本的な性能や効率計算ができるようになること
　・地球規模の環境問題を念頭において、エネルギーの有効利用の基本概念を理解すること

授業の目的・概要及び達成方法等(Ｅ）

The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)

1. Objectives
Our main objective is to understand the basic concept and principle of thermodynamics and apply the knowledge to the industries. We will also learn about effective utilization of energy and energy saving, which have been closely related to global environmental problems which become important now. In addition, through learning about the operation principles of thermal fluid apparatus like engine and power plant, we will study the fundamental principles in which human beings use the limited energy resource efficiently.

2. Overviews
We will start with the basic principle of thermodynamics such as the concept of system, matter and energy, and understand the first and second laws of thermodynamics. We will also learn about the state changes of matter quantitatively. Moreover, we will learn about the operation principles and efficiency of heat engine, such as piston engine, jet engine, steam cycle and refrigeration machine. Through the knowledge, we will understand the basic concept.

3. Goals
This course aims to mainly understand and achieve three primary goals mentioned below:
(1) To understand the basic concept of thermodynamics and to acquire the quantitative calculation ability.
(2) To understand the operation principles of heat engine and estimate the fundamental characteristics and efficiency of real heat engine with the knowledge.
(3) To understand the basic concept of effective utilization of energy with global environmental problems in mind of effective utilization of energy. We will comprehend the general thermodynamic relation about the state changes of matter and exergy (effective energy).

他の授業科目との関連及び履修上の注意

熱力学は、工学の基礎科目の一つであり、全ての工学部学生が履修することが望ましい。特に、機械工学のエネルギー・熱・流体・環境分野を専攻しようとする学生は必ず履修すること。

他の授業科目との関連及び履修上の注意(Ｅ）

Thermodynamics is one of the basic subjects of engineering and it is desirable that all the students of engineering should study it. Especially it is necessary for the students who are willing to take the field of energy, thermodynamics, fluid dynamics or environment in engineering aspect to study it.

授業計画

１．概論と熱力学の基本概念
２．系・物質・エネルギー
３．熱平衡と熱力学第０法則
４．熱力学第１法則
５．準静的過程に適用した熱力学第１法則
６．理想気体の過程
７．可逆過程と不可逆過程
８．カルノーサイクルと熱力学第２法則
９．エントロピー
10．エネルギーの有効利用とエクセルギー
11．熱力学の一般関係式
12．ガスサイクル
13．蒸気の状態変化
14．蒸気サイクル
15．冷凍サイクルと空気調和

授業計画(Ｅ）

1. Introduction and basic concept of thermodynamics
2. System, matter and energy
3. Thermal equilibrium and the zeroth law of thermodynamics
4. The first law of thermodynamics
5. The first law of thermodynamics applied to quasi-static process
6. Process of ideal gas
7. Reversible and irreversible process
8. Carnot cycle and the second law of thermodynamics
9. Entropy
10. Effective utilization of energy resources and exergy
11. General thermodynamic relation
12. Gas cycle
13. Properties of vapor
14. Vapor cycle
15. Refrigeration cycle and air conditioning

授業時間外学習

予習：シラバスの項目について配布物や参考書の対応箇所を読み、理解できる部分と理解できない部分を明確にしておく。
復習：配布物や参考書を読み直したり、講義ノートを整理したりすることで、講義の内容をよく理解する。レポート課題がある場合はそれに取り組む。

授業時間外学習（Ｅ）

Preparation: Students should read a related part of handout or reference book before the lecture and clarify the points which you do not understand well.
Review: You should read handout or reference book again and reorganize your lecture notes to fully understand what you have learned. Do homework when it is assigned.

成績評価方法及び基準

定期試験で評価する。出席や演習・レポート等の提出を考慮する。

成績評価方法及び基準(Ｅ）

You should be evaluated by final examination. Attendance of the lecture or submission of exercises and reports wil be considered.

教科書および参考書

• JSME テキストシリーズ「熱力学」, 日本機械学会, 丸善 (2002) ISBN/ISSN: 9784888983327 資料種別:教科書
• JSME テキストシリーズ「熱力学」, 日本機械学会, 丸善 (2012) ISBN/ISSN: 9784888983488 資料種別:参考書

オフィスアワー

随時対応する．電子メールで連絡すること．

オフィスアワー（Ｅ）

If you have any questions or inquiries, please feel free to send an email [tbiwa@tohoku.ac.jp].