熱学・統計力学Ａ / Thermodynamics and Statistical Mechanics A

単位数: 2. 担当教員: 吹留 博一. 開講年度: 2024. 科目ナンバリング: TEI-ELE305J.

主要授業科目/Essential Subjects

○

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・統計力学は、物性物理学の基礎となる学問であり、物質の諸性質の解明や新物質創生への指針を得るために重要なものである。本科目では、熱力学・統計力学の初等的理解、及び基礎知識の修得を目的とする。
２．概要
熱力学の法則とエントロピー、温度、ボルツマン分布、化学ポテンシャル、ギブス因子、分布関数について講義するとともに、それらの化学反応や半導体統計などへの適用についても述べる。
３．達成目標等
熱力学・統計力学の基礎を理解し、化学反応、半導体統計などの諸現象の理解に応用できるようになる。

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)

The thermal and statistical mechanics is the basis of material physics, which is very important for clarification of material properties and the construction of the novel materials. This lecture aims at the fundamental understanding of the concept of thermal and statistical mechanics and the learning of its basic knowledge. The main subjects of this lecture include the law of thermodynamics, the entropy, the temperature, the Boltzmann distribution, the chemical potential, the Gibbs factor, the distribution function, as well as their applications on chemical reaction and semiconductor statistics. The goal of this lecture is to help the students to master basic knowledge of the thermal and statistical mechanics, and to use them for their own understanding of the various phenomena in chemical reactions and semiconductor statistics.

他の授業科目との関連及び履修上の注意

履修要望科目：量子力学、古典力学を履修していることが望ましい。

他の授業科目との関連及び履修上の注意(Ｅ）

It is preferable to complete the course of Quantum Mechanics and Classical Mechanics.

授業計画

１　　序論；統計物理学の概念
２　　２価モデル系（Ｉ）多重度関数
３　　２価モデル系（ＩＩ）中央極限定理とガウス分布
４　　エントロピーの発見
５　　エントロピーと温度
６　　熱力学の法則
７　　ボルツマン分布とヘルムホルツの自由エネルギー
８　　化学ポテンシャルとギブス分布（I）
９　　化学ポテンシャルとギブス分布（II）
１０　　理想気体（Ｉ）フェルミ・ディラックの分布関数
１１　　理想気体（ＩＩ）ボーズ・アインシュタインの分布関数
１２　　熱と仕事
１３　　ギブスの自由エネルギーと化学反応
１４　　半導体統計（I）
１５　　半導体統計（II）

授業計画(Ｅ）

1st Overview: Concept of Thermal and Statistical Mechanics
2nd Two Level Systems (I)
3rd Two Level Systems (II)
4th Discovery of Entropy
5th Entropy and Temperature
6th Law of Thermodyamics
7th Boltzmann Distribution and Helmholtz Free Energy
8th Chemical Potential and Gibbs Distribution (I)
9th Chemical Potential and Gibbs Distribution (II)
10th Ideal Gas (I) Fermi-Dirac Distribution Function
11th Ideal Gas (II) Bose-Einstein Distribution Function
12th Heat and Work
13th Gibbs free energy and Chemical Reaction
14th Semiconductor Statistics (I)
15th Semiconductor Statistics (II)

授業時間外学習

到達目標や授業内容に応じた準備学習が求められる。履修者が自ら主体的に計画と目標を立て、自律的に準備学習に取り組むことを期待する。

授業時間外学習（Ｅ）

Students are required to prepare for class according to the goal and contents of each class. Students are strongly expected to voluntarily develop a plan and goals and to undertake preparatory learning.

成績評価方法及び基準

定期試験（70％），演習問題のレポート，及び小テスト（30％）を総合して評価する。

成績評価方法及び基準(Ｅ）

Students are evaluated on their submitted report, the midterm examination and the final examination.

教科書および参考書

• 物理入門コース 熱・統計力学, 戸田, 岩波書店
• 物理 テキストシリーズ 統計力学, 中村, 岩波書店
• 熱物理学, キッテル, 丸善
• 大学演習 熱学・統計力学, 久保, 裳華房

オフィスアワー

事前にE-mail 等で連絡すること。教員の連絡先は授業中に伝える。
（遠藤・村口担当クラスのオフィスアワーは、水曜13:00～17:00 とする。）
（吹留担当クラスのオフィスアワーは、水曜13:00～17:00 とする。）

オフィスアワー（Ｅ）

It is recommended to make an appointment by e-mail.
（Assoc. Prof. Fukidome: Monday 15:00～17:00 ）