京都工芸繊維大学 Webシラバス / Web Syllabus KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY シラバス詳細

科目詳細情報 / Course Syllabus

科目分類1 / Subject Categories
学部等 / Faculty	工芸科学部 / School of Science and Technology	今年度開講 / Availability	有 / Available
学域等 / Field	生命物質科学域 / Academic Field of Materials and Life Science	年次 / Year	２年次 / 2nd Year
課程等 / Program	専門基礎科目 / Specialized Foundational Subjects	学期 / Semester	前学期 / First term
分類 / Category	物理学 / Physics	曜日時限 / Day & Period	水2 / Wed 2nd
注情報 Note	2023年度以前の入学者用科目
注情報 Note	Subjects for students enrolled in or before the 2023 academic year
科目分類2 / Subject Categories
学部等 / Faculty	工芸科学部 / School of Science and Technology	今年度開講 / Availability	有 / Available
学域等 / Field	設計工学域 / Academic Field of Engineering Design	年次 / Year	２年次 / 2nd Year
課程等 / Program	専門基礎科目 / Specialized Foundational Subjects	学期 / Semester	前学期 / First term
分類 / Category	物理学 / Physics	曜日時限 / Day & Period	水2 / Wed 2nd
注情報 Note	2023年度以前の入学者用科目
注情報 Note	Subjects for students enrolled in or before the 2023 academic year
科目分類3 / Subject Categories
学部等 / Faculty	工芸科学部 / School of Science and Technology	今年度開講 / Availability	有 / Available
学域等 / Field	デザイン科学域 / Academic Field of Design	年次 / Year	２年次 / 2nd Year
課程等 / Program	専門基礎科目 / Specialized Foundational Subjects	学期 / Semester	前学期 / First term
分類 / Category	物理学 / Physics	曜日時限 / Day & Period	水2 / Wed 2nd
注情報 Note	2023年度以前の入学者用科目
注情報 Note	Subjects for students enrolled in or before the 2023 academic year
科目分類4 / Subject Categories
学部等 / Faculty	工芸科学部 / School of Science and Technology	今年度開講 / Availability	有 / Available
学域等 / Field	造形科学域 / Academic Field of Architecture and Design	年次 / Year	２年次 / 2nd Year
課程等 / Program	専門基礎科目 / Specialized Foundational Subjects	学期 / Semester	前学期 / First term
分類 / Category	物理学 / Physics	曜日時限 / Day & Period	水2 / Wed 2nd
注情報 Note	2023年度以前の入学者用科目
注情報 Note	Subjects for students enrolled in or before the 2023 academic year

科目情報 / Course Information
時間割番号 / Timetable Number	11013201
科目番号 / Course Number	11060180
単位数 / Credits	2
授業形態 / Course Type	講義 / Lecture
クラス / Class	- / -
授業科目名 / Course Title	統計熱力学　※再履修者用（2023年度以前入学者用） / Statistical Thermophysics
担当教員名 Instructor(s)	一色　俊之
担当教員名 Instructor(s)	ISSHIKI Toshiyuki
その他 / Other	インターンシップ実施科目 Internship	国際科学技術コース提供科目 IGP	PBL実施科目 Project Based Learning	実務経験のある教員による科目 Practical Teacher
	-	-	-	-
	DX活用科目 ICT Usage in Learning	-	-	-
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科目ナンバリング / Numbering Code	-

授業の目的・概要 Objectives and Outline of the Course
熱力学は日常生活の色々な場面に登場します。例えばエアコンなどの工業製品の動作原理を理解するのに必要だし、また地球温暖化の問題を議論するのにも熱力学が登場します。この講義では日常生活でおなじみの温度や熱のような単語の正確な概念の理解から始めて、熱機関の動作やエネルギ－、エントロピーの原理を学び、熱力学の関係式にまとめます。後半の統計力学では無数の粒子の運動が熱力学の立場からどのように取り扱われるかを示します。この講義は対面形式で行います。
Thermodynamics appeared in many aspects of everyday life. For example thermodynamics need to understand the principle of operation of the air conditioning and other industrial products and appeared to also discuss the issue of global warming. In this lecture, we will start with understanding the precise concept of words like “temperature” and “heat” which are familiar in everyday life. Then we will learn the behavior of thermal engine, principle of heat, energy and entropy, and those are summarized in thermodynamic equations. In statistical mechanics lectured at the latter half, we will consider how to handle the motion of many molecules from the standpoint of thermodynamics. Lectures will be provided by face-to-face style.

授業の目的・概要
Objectives and Outline of the Course

熱力学は日常生活の色々な場面に登場します。例えばエアコンなどの工業製品の動作原理を理解するのに必要だし、また地球温暖化の問題を議論するのにも熱力学が登場します。この講義では日常生活でおなじみの温度や熱のような単語の正確な概念の理解から始めて、熱機関の動作やエネルギ－、エントロピーの原理を学び、熱力学の関係式にまとめます。後半の統計力学では無数の粒子の運動が熱力学の立場からどのように取り扱われるかを示します。
この講義は対面形式で行います。

Thermodynamics appeared in many aspects of everyday life. For example thermodynamics need to understand the principle of operation of the air conditioning and other industrial products and appeared to also discuss the issue of global warming. In this lecture, we will start with understanding the precise concept of words like “temperature” and “heat” which are familiar in everyday life. Then we will learn the behavior of thermal engine, principle of heat, energy and entropy, and those are summarized in thermodynamic equations. In statistical mechanics lectured at the latter half, we will consider how to handle the motion of many molecules from the standpoint of thermodynamics. Lectures will be provided by face-to-face style.

学習の到達目標 Learning Objectives
1．熱力学第１法則（エネルギー保存則）の物理的な意味が理解できる。 2．準静的変化、断熱変化、保存力、状態量、エントロピーなどの特徴的概念が理解できる。 3．熱力学第２法則の物理的な意味を理解し、種々の表現で言い換えることができる。 4．種々の巨視的変数（熱力学変数）を扱う熱力学と、微視的模型に基づいてそれらの変数を導くための統計力学の関係が理解できる。
1．To understand the physical meaning of the first law of thermodynamics (energy conservation). 2．To understand characteristic concepts such as quasi-static change, adiabatic change, conservation force, quantity function, and entropy. 3．To understand the physical meaning of the second law of thermodynamics and describe the law in many different expressions. 4．To understand the relation between macroscopic variables (thermodynamic functions) and statistical mechanics to derive the variables based on microscopic models.

学習の到達目標
Learning Objectives

1．熱力学第１法則（エネルギー保存則）の物理的な意味が理解できる。
2．準静的変化、断熱変化、保存力、状態量、エントロピーなどの特徴的概念が理解できる。
3．熱力学第２法則の物理的な意味を理解し、種々の表現で言い換えることができる。
4．種々の巨視的変数（熱力学変数）を扱う熱力学と、微視的模型に基づいてそれらの変数を導くための統計力学の関係が理解できる。

1．To understand the physical meaning of the first law of thermodynamics (energy conservation).
2．To understand characteristic concepts such as quasi-static change, adiabatic change, conservation force, quantity function, and entropy.
3．To understand the physical meaning of the second law of thermodynamics and describe the law in many different expressions.
4．To understand the relation between macroscopic variables (thermodynamic functions) and statistical mechanics to derive the variables based on microscopic models.

授業計画項目 / Course Plan
No.	項目 Topics	内容 Content	オンライン授業 online class
1.	はじめに　温度とは，熱とは何か	講義の概要説明，温度と熱，熱力学の扱う系，熱力学変数，状態量，内部エネルギー，状態方程式，
1.	Introduction. What is "temperature", what is "heat"	Introduction of lecture, Temperature and heat, Preparation for thermodynamics, Thermodynamic system, Thermo dynamical valuables, Quantity of state, Internal energy, Equation of state.
2.	熱力学の基礎と第1法則	熱力学第1法則，線膨張・体膨張，モル比熱，マイヤーの関係式，準静的過程，断熱過程，等温過程，等圧過程，等積過程，循環過程
2.	Fundamentals of thermodynamics and the first law of thermodynamics	The first law of thermodynamics, Linear & cubical expansions, Molar specific heat, Meyer's relation, Quasi-static process, Adiabatic process, Isothermal process, Isobaric process, Isochoric process, Cyclic process.
3.	熱力学第2法則とエントロピー（１）	熱エンジンとヒートポンプ，クラジウスの原理，トムソンの原理，熱力学第2法則，熱機関の効率，カルノーサイクル
3.	The second law of thermodynamics and entropy (1)	Heat engine and heat pump, Clausius's principle, Thomson's principle, The second law of thermodynamics, Efficiency of heat engine, Carnot cycle.
4.	熱力学第2法則とエントロピー（２）	クラジウスの不等式，不可逆過程とエントロピー，エントロピー増大の法則，断熱自由膨張，カルノーサイクルの効率とT-S線図，熱機関の最高効率，理想気体の準静的断熱膨張におけるエントロピー変化，絶対零度の不達性
4.	The second law of thermodynamics and entropy (2)	Clausius's inequality, Irreversible process and entropy, Law of increasing entropy, Adiabatic free expansions, Efficiency of Carnot cycle and T-S diagram, Maximum efficiency of heat engine, Increase of entropy in quasi-static adiabatic expansion of ideal gas, Unreachability to absolute zero.
5.	熱力学関数と熱力学の応用（１）	内部エネルギーとエンタルピー，ヘルムホルツの自由エネルギー，ギブスの自由エネルギー，熱力学ダイヤグラム，マックスウェルの熱力学関係式，変化の方向と熱平衡条件
5.	Thermodynamics functions and application of thermodynamics (1)	Internal energy and enthalpy, Helmholtz free energy. Gibbs free energy, Thermodynamical diagram, Maxwell relations, Direction of changes and condition of thermal equilibrium state.
6.	熱力学関数と熱力学の応用（２）	ファンデルワールス気体の状態方程式，熱平衡状態と相転移，潜熱，相転移の臨界点，飽和蒸気圧，マックスウェルの面積則
6.	Thermodynamics functions and application of thermodynamics (2)	State equation of Van del Waals gas, Thermal equilibrium state and phase transition, latent heat, Critical point of phase transition, Saturated vapor pressure, Maxwell equal area rule.
7.	熱力学関数と熱力学の応用（３）	気体中の音速，気体混合の化学ポテンシャル，ジュール-トムソン過程，クラウジウス-クラペイロンの式，ゴムの熱力学，ネルンスト-プランクの定理（熱力学第3法則）
7.	Thermodynamics functions and application of thermodynamics (3)	Velocity of sound, Chemical potential change at gas mixing, Joule-Thomson process, Clausius-Clapeyron's equation, thermodynamics of rubber, Nernst-Plank theorem (The third law of thermodynamics)
8.	統計力学の基礎（１）	熱力学と統計力学，解析力学の要点，ラグランジュの運動方程式，ハミルトンの運動方程式，位相空間(μ空間，Γ空間）
8.	Basics of statistical mechanics (1)	Thermodynamics and statistical mechanics, Key point of analytical mechanics. Lagrange equation. Hamilton equation. Phase space(μ,Γ).
9.	統計力学の基礎（２）	エネルギー超曲面，エルゴード仮説，等重率の原理，ボルツマンの式，小正準（ミクロカノニカル）分布，デュロン-プティの法則，アインシュタインの比熱模型，
9.	Basics of statistical mechanics (2)	Energy hypersurface. Ergodic hypothesis, Principle of equal a priori weights, Boltzmann equation, Micro canonical distribution, Dulong-Petit law, Einstein model of specific heat,
10.	統計力学の基礎（３）	状態数と粒子分布，ラグランジュの未定乗数法，分配関数，マックスウェル-ボルツマン分布則
10.	Basics of statistical mechanics (3)	Number of states, Distribution of particle in phase space, Lagrange multiplier method, Distribution function, Law of Maxwell-Boltzmann distribution,
11.	統計力学の基礎（４）	統計的ゆらぎ，マックスウェルの速度分布，孤立2準位系のショットキー型比熱，ゴムのエントロピー弾性，双曲線関数
11.	Basics of statistical mechanics (4)	Statistic deviation, Maxwell distribution of velocity, Shockley-type Specific heat in isolated binary state system, Entropy elasticity of rubber, Hyperbolic function.
12.	統計力学の基礎（５）	統計力学の基礎演習
12.	Basics of statistical mechanics (5)	basic exercise of statistical mechanics.
13.	正準分布と大正準分布（１）	正準（カノニカル）分布の導出と応用，分配関数と熱力学変数，エネルギーゆらぎ，2原子分子のモル比熱，電気双極子と感受率，磁気双極子と帯磁率，熱擾乱とキュリーの法則
13.	Canonical distribution and grand canonical distribution (1)	Derivation of canonical distribution, Relation between distribution function and thermodynamic parameters, Energy deviation in canonical system, Specific heat of 2-atoms molecule, Electric dipole and electric sensitivity, Magnetic dipole and susceptibility, Thermal disturbance and Curie's law.
14.	正準分布と大正準集合（２)	大正準（グランドカノニカル）分布の導出と応用，グランドポテンシャル，量子統計，ボース粒子とフェルミ粒子，ボース分布，ボース-アインシュタイン凝縮，フェルミ分布，フェルミエネルギー，物性物理学への連結
14.	Canonical distribution and grand canonical distribution (2)	Derivation of grand canonical distribution, Grand potential, Quantum statistic, Bose particles and Fermi particle. Bose statistics, Bose-Einstein condensation, Fermi statistics. Fermi energy, Connection to condensed matter physics.
15.	統計熱力学講義のまとめ	熱力学と統計力学，物理学の体系，演習課題解説
15.	Summary	Thermodynamics and statistical mechanics, System of Physics, Explanation of assignments.

履修条件 Prerequisite(s)
特になし。本科目の理解を深めるため「基礎解析Ⅱ」，「数学演習Ⅱ」の履修を推奨する。
In order to deepen the understanding of this course, it is recommended to take "Basic Calculus II" ＆ "Exercises in Mathematics II".

授業時間外学習（予習・復習等） Required study time, Preparation and review
復習はとても効果的です。講義後2～3時間程度かけて、教科書や講義中に配布したプリントの隅々まで細かく読みなおしてください。演習問題はどのような参考書を見てもよいから自分で解いてみて下さい。どこまで自分が理解できているのか分かることが大切です。本学では1単位当たりの学修時間を45時間としています。毎回の授業にあわせて事前学修・事後学修を行ってください。
Review work after lecture for 2 to 3 hours reading details of the textbook and the handouts given in the lecture is very effective. The key point is to solve exercise problems by your own effort, no matter what kind of reference book you may see, because you can clearly see the depth of your understanding. Please note that KIT requires 45 hours of study from students to award one credit, including both in-class instructions as well as study outside classes. Students are required to prepare for each class and complete the review after each class.

授業時間外学習（予習・復習等）
Required study time, Preparation and review

復習はとても効果的です。講義後2～3時間程度かけて、教科書や講義中に配布したプリントの隅々まで細かく読みなおしてください。演習問題はどのような参考書を見てもよいから自分で解いてみて下さい。どこまで自分が理解できているのか分かることが大切です。

本学では1単位当たりの学修時間を45時間としています。毎回の授業にあわせて事前学修・事後学修を行ってください。

Review work after lecture for 2 to 3 hours reading details of the textbook and the handouts given in the lecture is very effective. The key point is to solve exercise problems by your own effort, no matter what kind of reference book you may see, because you can clearly see the depth of your understanding.

Please note that KIT requires 45 hours of study from students to award one credit, including both in-class instructions as well as study outside classes. Students are required to prepare for each class and complete the review after each class.

教科書／参考書 Textbooks/Reference Books
（教科書）「熱・統計力学講義ノート」　森成隆夫著　（サイエンス社）（参考書）「キーポイント熱・統計力学」　相沢洋二著　（岩波）（参考書）「ゼロからの熱力学と統計力学」和達ほか（岩波）
(text book) "Metsu toukei rikigaku kouginoto (in Japanese)" Takao Morinari, (Saiensu-sya) (reference) "Keypoint netsu toukei rikigaku (in Japanese)" Yoji Aizawa, (Iwanami) "Zero kara no neturikigaku to toukei rikigaku (in Japanese)" Wadachi et al, (Iwanami)

成績評価の方法及び基準 Grading Policy
学期試験を実施し，目標達成度の評価基準に基づき評価する。（７０％）演習課題を科し3～4回程度のレポート提出で理解度を評価する。（３０％）合格点は合計60点以上。
The term-end examination: 70% Submission of the paper (exercise related electromagnetism) (3-4 times): 30% The qualifying score: 60 point or higher.

留意事項等 Point to consider
レポート作成において，盗用・剽窃行為（他人の文章・語句・図・説などを盗んで使うこと）は厳禁です。
Plagiarism is strictly prohibited in preparation of the report.

評価基準 / Evaluation Standards
科目の達成目標 Course Goals
1．熱力学第１法則（エネルギー保存則）の物理的な意味が理解できる。 2．準静的変化、断熱変化、保存力、状態量、エントロピーなどの特徴的概念が理解できる。 3．熱力学第２法則の物理的な意味を理解し、種々の表現で言い換えることができる。 4．種々の巨視的変数（熱力学変数）を扱う熱力学と、微視的模型に基づいてそれらの変数を導くための統計力学の関係が理解できる。
1．To understand the physical meaning of the first law of thermodynamics (energy conservation). 2．To understand characteristic concepts such as quasi-static change, adiabatic change, conservation force, quantity function, and entropy. 3．To understand the physical meaning of the second law of thermodynamics and describe the law in many different expressions. 4．To understand the relation between macroscopic variables (thermodynamic functions) and statistical mechanics to derive the variables based on microscopic models.
目標の達成度の評価基準 / Fullfillment of Course Goals
1.	目標レベルを大きく下回る Significantly lower than target level	熱力学第1法則，第2法則を覚えているが，熱や温度，エントロピーなど熱力学的物理量について適切な説明ができない。
1.	目標レベルを大きく下回る Significantly lower than target level	Only rote memorization of the first and second laws of thermodynamics. 　Unable to explain thermodynamic quantities, such as heat, temperature, energy, entropy etc.
2.	目標レベルを僅かに下回る Slightly lower than target level	熱力学第1法則，第2法則を理解し，熱力学的物理量の関係を説明できる。
2.	目標レベルを僅かに下回る Slightly lower than target level	Well-understanding the first and second laws of thermodynamics.Able to explain relation among thermodynamic quantities.
3.	目標レベルに到達 Achieved target level	上記に加え，熱力学と統計力学の関係を理解している。
3.	目標レベルに到達 Achieved target level	In addition above, understanding relation between thermodynamics and statistic dynamics.
4.	目標レベルを上回る Above target level	上記に加え，統計力学を用いて系の記述ができる。
4.	目標レベルを上回る Above target level	In addition above, able to describe physical system by statistic dynamics manner