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学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)
[2023年度 講義の情報] 本講義に関してはGoogle Classroomのクラスコード v3ew6st でお知らせします。上手く接続できない場合などは高橋英志教授(hideyuki.takahashi.c2@tohoku.ac.jp)までメール連絡を下さい。メール送信後数日以内に高橋より返事が無い場合は、届いていないことを意味しますので、再送等をお願いいたします。
１．目的
環境化学の各分野、ナノマテリアル合成および利用に不可欠な固相・液相・気相界面における様々な物理化学現象の基礎と応用について学ぶ。
２．概要
界面（表面）に関連する物理、化学現象に関わる熱力学（平衡論、速度論）の基礎と、実際の工学的、環境化学的応用に際しての諸問題について講義する。
３．達成目標等
界面（表面）物理化学、特に界面の熱力学を理解すること。その理解を具体的な材料プロセスに適応し、解析できる能力を得ることを通し、技術とその背景にある基礎的学問の係わりについて理解すること。
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)
[2023 class information] Please contact to Google Classroom v3ew6st if you join to this class. If you cannot access to this classroom, please send e-mail to Prof. Takahashi (hideyuki.takahashi.c2@tohoku.ac.jp) .
1. Objective
In this course, students will understand the chemical and physical properties of the solid/liquid/gas interface.
2. Overview
This course provides the basic principles of surface chemical/physical reaction. Moreover, students also learn about relationship between surface science and environmental science.
3. Others
The purpose of this course is to learn surface science, the foundation of surface science, and to deepen understanding of the basic principles and laws related to the surface science.
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【この講義の目標】：環境・エネルギー、先端エレクトロニクスなど幅広い分野でますます重要となっている表面の化学と工学に関する基礎的な事項を学ぶ。
【達成目標】：この授業では、主に以下のような能力を学習することを目標とする。
・表面に特有な現象とは何かについて、具体例な例を通じて、その基礎概念をしっかり理解し、将来、表面化学現象が関わる様々な化学プロセスに柔軟に応用できること。
・環境・エネルギー、先端エレクトロニクスにおける表面化学の役割を理解し、その技術の在り方を構想できること。
【概要及び方法】：不均一触媒や光触媒作用、先端デバイスの動作原理などを理解する上で、気相、あるいは真空とバルク相が接する有限な厚さを有する物質表面に特徴的な現象を明らかにすることは重要である。本講義では、そのいくつかを具体的に紹介しながら、必要な物理化学の基礎と関連する表面の合成や分析手法の原理について学習する。
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【Course Objective】
This course provides basic knowledge about chemistry and engineering of surface and interface properties of materials that has become more and more important in various R&D fields of energy, environmental, advanced electronics.
【Course Description】
In understanding the operating principles of heterogeneous- and photo-catalyses or advanced electronic devices, it would be important to investigate the phenomena characteristic to the surface and interface of materials, a region of finite thickness where two homogeneous bulk phases meet. In this course, students will learn about some basic aspects of chemical synthesis and analysis on the inerface of materials, based on the fundamental knowledge of physical chemistry, along with some examples.
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１．目的
工学材料を取り扱う上で重要な表面・界面の基礎的物性について学び、材料の特性や機能向上に表面・界面の物理が深く関与していることについて理解を深める。
また、固体や液体の表面・界面に固有な現象やそれを解析するための手段について知識を深め、工学的諸問題解決の糸口をつかむ。
２．概要
材料の表面・界面において生ずる種々の現象について基礎的な解説を行う。また、そのような基礎的現象が実際の工業プロセスや製品とどのように関連するか講義する。
３．達成目標等
・本学科の学習・教育目標のＡ、Ｂ、Ｃ、Kに関する能力を含めて修得する。
・表面・界面の熱力学、表面張力、ぬれ、表面電子状態・結合状態といった項目について学習し、材料工学分野において表面・界面が関わる現象を正確に理解する。
講義は当面Zoomと対面によるハイブリットで進めます。講義資料（pdf）やZoomのアドレス等の情報はGoogle Classroomで逐次連絡いたしますので参照してください。
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Surface and interface phenomena of solids or liquids strongly correlate with industrial process. This course provides bases of condensed matter physics related to material’s surfaces and interfaces, such as surface thermodynamics, surface tension, wetting, gas adsorption, atomic and electronic structures of well-defined surfaces, electron-excitation from solid surface, thin film growth, analysis techniques for surface phenomena, etc.
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（大学院シラバス・時間割・履修登録）にて確認すること。
優れた機能を有する製品を製造するためには，装置やプロセスの中で起こる現象（輸送現象といったマクロスケールの現象だけでなく，製品の物性や機能に関わるナノ・メゾスケールの現象）を十分理解し，製品の物性や機能を制御するためのプロセスの設計・制御の方法論を確立する必要がある。本講義では，化学工業プロセスをはじめ多くのプロセスが多相系であることを考慮し，表面張力や濡れなどの界面現象，界面を介しての輸送現象，異相界面が関わるナノ・メゾスケールの現象の基礎を説明するとともに，多相系プロセスの設計・制御において不可欠な現象のモデル化及び数値解析手法について講義する。
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To produce materials with various functions and high quality, it is important to acquire a correct knowledge of both macroscopic and microscopic phenomena in materials processing which determine the properties and functions of materials, and then to establish the procedure or guideline of process design and control being based on the knowledge. Since many chemical processes involve the multiphase system such as liquid/gas or liquid/liquid phases, in this lecture, interfacial phenomena such as surface tension and wetting, transport phenomena through the interface and meso-microscopic phenomena at the interface between two phases are introduced. The mathematical modeling and numerical simulation of multiphase processes are also presented.
材料開発を考える上で重要な諸物性、とりわけ表面・界面物性を中心に、環境負荷の低減に直結する材料・デバイス開発に表面科学が密接に関与することを理解する。また、表面・界面に固有な現象やそれを解析するための手段について知識を深め、環境分野における問題の解決に向けた表面科学的アプローチの糸口をつかむ。触媒、センサー、燃料電池などの環境負荷の低減に直結する表面・界面プロセスにおける種々の現象を基礎物性の立場から理解するための解説を行う。省エネルギー、低炭素社会の実現、環境負荷の低減といった環境科学的キーワードを念頭に、表面・界面が関わる現象の基礎的理解に不可欠な知識を習得する。
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１． 目的
化学の諸原理を確立し敷衍する物理化学の基礎を学ぶための第一歩として，本講義では，物質の状態変化および化学変化についての熱力学的及び速度論的な理解の仕方を学習する。そこで基礎となる概念と，定量的な手法の習得を目的とする。
２．概要
状態変化の扱い方を学ぶとともに，熱力学諸法則，熱力学的状態量（エンタルピー，エントロピー，自由エネルギー，化学ポテンシャル等）の定義とそれらの定量的表現法，さらには，具体的な応用についても学習する。次に，熱力学的知見の重要な展開として，化学平衡と溶液の諸性質を議論し，最後に，速度論の基礎を学ぶ。
３．達成目標等
この授業では，主に以下のような知識・スキルの修得を目標とする。
・ 物質変化・状態変化に対しての熱力学的理解とその定量的表現。
・ 実際の物質変化・状態変化の解析法とその応用。
・反応速度に関する基礎的理解と定式化及び決定法。
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1. Objective
Physical chemistry is a base of chemical principles to describe wide variety of chemical phenomena. To learn the basics of physical chemistry, understanding in the physical states of matters and chemical reaction in terms of thermodynamics and chemical kinetics is of particular importance. This course aims to deepen understanding in those concepts and quantitative description.
2. Summary
First, this course provides students with basic knowledge such as phase transition, principles of thermodynamics, definition and usage of state functions (enthalpy, entropy, free energy, and chemical potential), and their application to real systems. Second, thermodynamics of properties of solutions and chemical equilibrium. Third, chemical kinetics.
3. Goal
Students will acquire knowledge and develop the skills on the following matters:
1) Understanding and description of phase transition and chemical reaction by thermodynamics.
2) Quantitative description and analysis of such changes in real systems.
3) Description of chemical kinetics by rate law and kinetic analysis.
液体界面は我々の周りに広く見られ、気液界面、液液界面、固液界面と多岐にわたり、蒸発や凝縮はもとより、抽出や分離、センサー、電気化学反応など多くの例で重要な対象である。本講義では、これらの液体界面の現象を理解するための理論および計測方法の基礎を概説する。
学部で学んだ物理化学、とくに熱力学をもとに不均一な界面系に応用する発展を扱い、界面を特徴づける量を熱力学の観点から理解する。そして界面の熱力学を基盤として、さらに統計力学、電気化学、分光学、分子シミュレーションなどの手法と知見と取り扱う。
Liquid interfaces, including gas-liquid, liquid-liquid and solid-liquid, are ubiquitous in our life, and play important roles in a number of phenomena, such as vaporization, condensation, extraction, separation, sensing, electrochemical reactions, etc. This course deals with fundamental aspects of theory and measurements for liquid interfaces.
This course is based on physical chemistry, particularly thermodynamics, in undergraduate level, and extend the physical chemistry to heterogeneous systems including interfaces. We further treat statistical mechanics, electrochemistry, spectroscopy and molecular simulation to explore the detailed structure and dynamics at liquid interfaces.
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１．目的
界面が関与する固体の物性と，固体／液体界面での電荷移動を伴う化学反応（電気化学反応）あるいは、電極界面現象についての理解を深め、基礎的知識を修得することを目標とする．
２．概要
電気化学反応とは、電極（固体）側にある電子の溶液側のイオン・分子への電子移動を含む反応であり、反応の起こる場所である電極・溶液界面の電気二重層の構造、速度論について講義する。
３．達成目標等
電解質溶液の性質、電気化学平衡、界面電気二重層、電極反応速度について説明できる。
こうした基礎的知識を基に、電極表面科学、燃料電池、リチウム電池等の応用分野への展開原理が理解できる。
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This class aims to learn about basics of electrochemical reaction and behaviors of electrons and ions at solid-liquid interface. Students will learn about property of electrolyte, electric double layer, redox potential, and kinetics of electrode. The basic knowledges will help us to understand practical electrocatalysis, corrosion, photoelectrochemistry, bioelectrochemistry, principle of fuel cell and lithium ion battery.
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目的
相平衡および拡散について理解を深めると同時に、相変態の熱力学的背景を学ぶ。また、実例を通して組織制御や材料設計への利用法について習得する。
概要と目標
前半は、主に相の安定性や相平衡について学習し、後半では、界面、拡散、核生成、マルテンサイト変態等に関連する各種相変態の熱力学的背景と原理について学ぶ。
-自由エネルギー、エントロピー、エンタルピー等を統計熱力学的に理解する。
-固溶体や化合物の自由エネルギー近似と化学ポテンシャルや相平衡の原理を理解する。
-界面エネルギーの起源や偏析現象、粒成長現象を理解する。
-拡散におけるフィックの法則、現象論的方程式、熱力学因子について理解する。
-凝固や析出について均一核生成や負均一核生成について理解する。
-マルテンサイト変態の組織的特徴と変態ヒステリシスや変態温度幅の起源を理解する。
達成方法
本授業は講義と演習を中心に行う。
この科目ではClassroomを利用して講義資料と講義情報を発信します。
Classroomにアクセスし、クラスコードを入力してください。
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Objectives are to promote understanding of the phase equilibria and transformations on basis of thermodynamics and kinetics and to understand some basic concepts on the microstructural control and materials design.
In the former part, the course provides students with basic knowledge on phase stability and phase equilibrium in materials. In the latter part, the course provides explanations of the thermodynamic origins and principles on phase transformations related to interface, diffusion, nucleation, martensite etc.. The course will be performed with following targets:
-to understand free energy, entropy and enthalpy in view point of statistical thermodynamics.
-to understand principle of free energy approximation, chemical potential and phase equilibrium in solid solution and compound.
-to understand origin of interfacial energy, segregation and grain growth phenomena.
-to understand Fick's laws, phenomenological diffusion equation and thermodynamic factor etc..
-to understand the classical theory on homogeneous and inhomogeneous nucleation phenomena.
-to understand microstructural features of martensitic transformation and origin of transformation hysteresis and width.
This is a lecture-centered course including exercises.
This class uses Classroom to provide lecture information.
Please access Classroom and input the class-code.
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学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)
この科目ではGoogle Classroomを使用して講義資料と講義情報を発信します。
クラスコードは，mt7yfhs です。
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本講義では，熱力学Ⅰで学んだ第一法則および第二法則に基づく理論体系の下で，主に水溶液の化学熱力学について詳しく学び、熱力学データに基づく平衡定数の算出と、化学平衡に関する熱力学的取り扱いについて理解する。このような化学熱力学の知識は、環境や生体の恒常性を担う化学平衡システムの理解，ならびに電池，センサ，医用機器などの材料やデバイス設計などに不可欠である。本講義を通じて，環境，エネルギーおよび生体システムと機械工学の関連を、化学熱力学的な側面からで説明できるようになる。
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In this lecture, the chemical thermodynamics of the aqueous solution is mainly lectured using the first and second laws of thermodynamics. Students understand the use of thermodynamics related to chemical equilibrium and learn about the calculation of the equilibrium constant based on the thermodynamic data. The knowledge of chemical thermodynamics is essential to understand the environmental and biological systems and to design sensors, batteries, and medical devices. Students learn the basis for the application of chemical thermodynamics to the mechanical engineering of the environment, energy and biological systems through this lecture.