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熱に関する物理の理解を深めることを目的とします。熱力学に関する概念や法則を理解し、全体のなかでの位置づけと相互関係を把握し、専門科目で履修できる統計力学、量子力学、固体物性学の理解に役立つものとします。
This lecture aims to deepen the understanding of the physics about heat (thermodynamics). Students are expected to understand the concepts and the laws of thermodynamics. This lecture would be useful for the understanding of statistical mechanics, quantum mechanics, and solid state physics in specialized subjects.
人類は熱を利用して動力を作り出し、それを効率的に利用することで文明を発達させてきた。熱力学は、物質の熱や温度などの熱的性質を、微視的な詳細には立ち入らずに巨視的な観点から調べる分野である。本講義では、熱に関係する巨視的物理量の定義と、それらの間に成り立つ基本法則を理解し、我々の身のまわりで起きている熱現象を熱力学的に説明できるようにする。これにより、熱力学に基づく工学専門科目を学習するための基礎を習得する。
The human species have developed a civilization by effectively using the motive power produced by heat. Thermodynamics is one of the field of physics treating the thermal properties such as heat and temperature based on the macroscopic viewpoint instead of microscopic one. In this lecture, students learn various macroscopic values related to the thermodynamics and basic laws and principles among them. Final purpose is to explain various thermal phenomena based on the thermodynamic knowledge. Thereby, the lecture is supposed to be a basis to study specialized subject of faculty of engineering in the following semesters.
熱力学とは、マクロ(巨視的)な系の示す熱の関与する物理現象の特性を明らかにする学問である。本講義では、経験法則から導き出された少数の熱力学の基本法則を基礎として熱力学の理論体系を構築する手法に関して学び、かつ具体的な事例を用いて熱力学に応用方法を学習する。
Thermodynamics describes thermal properties of macroscopic systems. In this lecture, we learn how to establish theoretical framework of thermodynamics based on a few principles(laws of thermodynamics), which are derived empirically. Several examples are also presented to help the students to understand its applications.
熱力学は固体，液体，気体を構成する分子，原子，電子等の非常に多くの粒子の集団を扱う方法であり，その応用範囲は化学，物理，工学の多岐の分野にわたる．例えば，気体の性質，化学反応，エネルギー変換，ヒートポンプ，電解液中のイオン，固体中の電子，相転移などである．そこでは，少数の物体を扱う力学では表れない温度やエントロピーなどの概念が登場する．
本講義では，熱と仕事および多数の粒子の集団が持つ重要な性質であるエントロピーの明確な理解と，それらを元にした熱力学の基礎的な概念の習得を目的とする．前述の通り，熱力学の応用は多岐にわたるが，講義内容は基本的な内容に絞り，本講義の学習内容を元に，それぞれの専門分野の教科書で自学自習できるようになることを目指す．
Thermodynamics is a field of study that deals with a very large number of particles such as molecules, atoms, and electrons that consist of solids, liquids, and gases, and has a wide range of applications in chemistry, physics, and engineering. Examples include the properties of gases, chemical reactions, energy conversion, heat pumps, ions in electrolytes, electrons in solids, and phase transitions. Concepts such as temperature and entropy, which do not appear in mechanics that deals with a small number of objects, are introduced.
The object of this class is to provide students with a clear understanding of heat, work, and entropy, which are important properties of a group of many particles, and to master basic concepts of thermodynamics based on these properties. As mentioned above, thermodynamics has a wide range of applications, but the content of the lecture is limited to the basics, and the aim is to enable students to learn by themselves using textbooks in their respective fields of specialization based on what they learn in this lecture.
熱力学は、我々の身の回りで起きるいろいろな熱現象（融解、蒸発、車のエンジン、生命活動に必要なエネルギーなど）、および熱的な性質を巨視的に扱う学問である。熱力学では、こうした熱過程を、熱平衡状態にある始状態と終状態で抑え、その差で説明する。本授業の前半では、熱力学の基本法則、エントロピーと熱力学関数を理解して、代表的な熱機関を取り上げ、熱現象の物理的な意味を考える。後半では、相平衡、非理想気体、および気体分子運動論など、熱力学的な現象を捉える上で必要な概念を習得する。最後に、古典統計力学に少し足を踏み入れる。本講義を通じて、我々の身のまわりで起きる熱現象が理解できるようになる。
Thermodynamics macroscopically deals with various thermal phenomena and properties like a melting and evaporation of water, engines of vehicles, and energies for vital activities. Thermal processes are described with the difference between initial and final thermal equilibrium states. In this course, students will learn and deepen their understanding of physical meaning on lows of thermodynamics, entropy, thermodynamical functions, phase equilibrium, non-ideal gas, molecular kinetic theory of gases, and additionally classical statistical mechanics.
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)
A．目的と概要
熱力学の基本構造，熱力学的な系の変化の特徴，また，エントロピーや自由エネルギーなどの熱系に特有な物理量について学習する．
B．達成目標
熱力学の基礎的事項を理解し，どのような操作が可能でどのような操作が不可能なのかを判断できるようにする．また，熱力学の恒等式やマクスウェルの関係式を使いこなして具体的な問題を解く力を身につける．
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)
A. Purpose and summary.
In this course, students study the fundamentals of thermodynamics, including the properties of the transitions of thermodynamic systems and the thermodynamic quantities such as entropy and free energy.
B. Goal of study
This course is designed to help students understand the fundamentals of thermodynamics, distinguish thermodynamically possible and impossible protocols, and use thermodynamic relations to calculate the quantities of given systems.
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)
授業の到達目標及びテーマ
材料科学における熱力学の初歩（熱力学関数の導出）から統計熱力学の基礎（分配関数の計算や自由エネルギー計算）を学び，諸問題が解けるようになることが目標
授業の概要
物理や化学の様々な現象に深い関わりをもつ熱・統計力学の基本的な考え方を説明し，物質科学において果たす役割，適用例について述べる．
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
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The goal is to learn the rudiments of thermodynamics in materials science (derivation of thermodynamic functions) and the basics of statistical thermodynamics (calculation of distribution functions and free energy), and to be able to solve various problems.
The basic concepts of thermal statistical mechanics, which are deeply related to various phenomena in physics and chemistry, will be explained, and its role and applications in materials science will be described.
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)
授業はBCPレベルが許す限り対面で行う。連絡にはGoogle Classroomを利用
１．目的
熱・統計力学は電磁気学、量子力学と並び物性物理学の基礎となるものである。熱・統計力学Bでは電気・情報系の学生が取り扱う物質の性質を理解する理論的基礎を学び、その応用力を身につける。
２．概要
平衡状態の熱力学と統計物理学を講義する。統計物理学の物性物理学における応用等について学ぶ。
３．達成目標等
量子統計力学であるフェルミ統計、ボ－ズ統計を理解してその応用力を身につける。相転移と分子場理論を理解してその応用力を身につける。
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
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Classes will be conducted face-to-face manner as BCP levels allow. Google Classroom will be used for communication.
1. Object
Thermal/statistical physics is an essential subject, along with electromagnetism and quantum mechanics, to understand solid-state physics. In this course, students will learn from the fundamentals of statistical physics to their application.
2. Summary of class
This course gives an elemental account of thermal physics in equilibrium states. Students will study the application of statistical mechanics to condensed matters.
3. Goal of the study
Students will understand the basics and applications of quantum statistical mechanics based on Fermi and Bose distribution functions and phase transition with a concept of the mean-field approximation.
温度，圧力，エントロピー，自由エネルギーなど熱力学の基礎概念および熱力学体系を学ぶ．また，これらの理解に基づき種々の熱力学的現象や熱機器の動作メカニズムを学ぶ．さらに，非平衡系における熱力学の諸現象を知る．
Basic thermodynamic concept like temperature, pressure, entropy, and free energy and thermodynamic framework is discussed. Based on the understanding of these basic thermodynamic ideas, various thermodynamic phenomena and operating mechanisms of thermal components are studied. In addition, some phenomena of non-equilibrium thermodynamics are learned.
我々が身近に接する固体、液体、気体などの物質は、多数の原子や電子から構成されており、それらは互いに複雑な相互作用を及ぼしながら運動している。これらの系の巨視的な性質は、構成要素が非常に多いことに起因する統計的法則を用いて初めて理解可能である。本講義では、多数個の粒子の集団からなる系の性質を理解することを目的に、統計物理学の基本的な概念とその簡単な系への応用について解説する。
Usual materials are composed of many atoms and molecules, which are interacting each other through complex interactions. These materials show a variety of phases, such as solid, liquid and gas phases. Their macroscopic properties can be understood in terms of statistical considerations based on the large number of degrees of freedom. In this lecture, in order to understand the physical properties of macroscopic systems composed of many constituent particles, we study the basic concepts of statistical physics and its applications to simple examples.