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化学熱力学を復習するとともに，化学熱力学において導入されたエネルギーやエントロピー，自由エネルギーなどの概念を，物質を構成する分子の性質に基づいて理解することを目標とする．さらに，相平衡や化学平衡の概念を統計力学の視点から理解する．より具体的には，多粒子系を構成する原子，分子の並進，回転，振動や電子状態の自由度に付随する分配関数から，エンタルピー、自由エネルギーなどの巨視的な熱力学量や，平衡定数が構築されることを学習する．
General concepts and principles of the statistical thermodynamics will be briefly introduced in the lecture, based on a review for the classic chemical thermodynamics.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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。
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.