学部前期課程
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最終更新日:2026年10月16日

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熱力学

熱力学
熱力学は,膨大な数の原子・分子等のミクロ(微視的)な粒子の集団から成るマクロ(巨視的)な物質の状態を、温度、圧力,体積などのマクロな物理量を用いて記述し,いくつかの基本原理をもとに,マクロな観点から物質の状態がいかに変化するかを考察する学問体系である。熱力学は,力学,電磁気学とともに古典物理学の基礎を構成している。ここで学ぶ内部エネルギー,エントロピーなどの概念は理科生にとって必須の基礎概念である。

以下に標準的な講義内容を示すが,担当教員によって項目の順序や内容は若干異なる。講義では、高校までに習った初等数学以外に、偏微分等の数学的手法を用いることがあるが、その場合は、そのつど必要に応じて講義で解説される。

0.序論
熱力学とは何か?ミクロな系とマクロな系,力学や電磁気学との対比

1.熱平衡状態
温度,圧力,状態量,示強変数と示量変数,状態方程式

2.熱力学第一法則
熱量と仕事,熱の仕事当量,内部エネルギー,定積熱容量(定積比熱)と定圧熱容量(定圧比熱)

3.熱力学第二法則
第二法則の諸表現(Thomsonの原理,Clausiusの原理),可逆循環過程 ,Carnotサイクル,不可逆過程,準静的過程,熱機関の効率,熱力学的絶対温度,Clausiusの不等式,エントロピー

4.自由エネルギー
Helmholzの自由エネルギー,Gibbsの自由エネルギー,Maxwellの関係式

その他、オプションとして取り上げられるトピックス
混合のエントロピー,エンタルピー,Joule-Thomson過程,Legendre変換,熱力学第三法則,相平衡,相律,Clapeyron-Clausiusの式,Le Chatelierの原理,化学ポテンシャル,Gibbs-Duhemの関係式,Maxwellの等面積則
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時間割/共通科目コード
コース名
教員
学期
時限
30641
CAS-FC1885L1
熱力学
水野 英如
S1 S2
水曜2限
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講義使用言語
日本語
単位
2
実務経験のある教員による授業科目
NO
他学部履修
不可
開講所属
教養学部(前期課程)
31380
CAS-FC1885L1
熱力学
水野 英如
S1 S2
水曜2限
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講義使用言語
日本語
単位
2
実務経験のある教員による授業科目
NO
他学部履修
不可
開講所属
教養学部(前期課程)
授業計画
講義テキストをpdfファイルで配布する。講義はテキストに沿って進める。予定している章立ては以下の通りである。 ・1. 序論 ・2. 熱力学の構成1 ・3. 熱力学の構成2 ・4. エネルギー最小の原理、示強変数と状態方程式 ・5. 熱平衡の条件 ・6. いくつかの具体的な系 ・7. エントロピー増大則、可逆過程と不可逆過程 ・8. 熱機関、温度・エントロピーの測定可能性 ・9. 様々な定式化1:ルジャンドル変換 ・10. 様々な定式化2:ルジャンドル変換された表示における極値原理 ・11. マクスウェル関係式 ・12. 熱力学系の安定性 ・13. 1次相転移
授業の方法
・講義テキスト(pdfファイル)はUTOLを通じて配布する。 ・第1回は、Zoomを利用したオンライン講義を行う(ZoomのURLはUTOLに記載)。モニター画面上で「板書」をすることによって進める。 ・第2回以降は、対面講義を行う。黒板に板書をすることによって進める。 授業時間は原則90分とするが、授業の進捗状況によっては延長することがある。 授業後には自由に気軽に話しかけて質問をしてください。 本講義は以下の2冊(特にキャレン著の本)を参考にしている。 ・熱力学および統計物理入門(上・下)、H.B. キャレン著、小田垣孝訳、吉岡書店 ・熱力学の基礎、清水明著、東京大学出版会
成績評価方法
定期試験によって評価する。
履修上の注意
【注意】基礎科目「熱力学」を他クラス聴講する場合、または文科生が要求科目として履修(履修許可科目)する場合は、以下の教員の授業を選択し履修すること。なお、同じクラスに登録希望者が集中する場合には、人数を制限することがある。 月曜2限 野海 水曜2限 水野 水曜3限 福島 木曜2限 菊川, 石原 金曜1限 菊川 の各教員(敬称略)