化学工学熱力学特論
 Chemical Engineering Thermodynamics
 担当教員:宍戸 昌広(SHISHIDO Masahiro)
 担当教員の所属:大学院理工学研究科(工学系)物質化学工学分野
 開講学年:1年,2年  開講学期:前期  単位数:2単位  開講形態:講義
 開講対象:物質化学工学専攻  科目区分:選択 
【授業の目的】
熱力学は経験的に導かれた第1,第2および第3法則を基にして,様々な過程(化学的,物理的)に伴うエネルギーの出入りやエネルギーならびに物質の変換の問題を取り扱う「科学」です。化学工学熱力学では,この「熱力学」を化学工業における様々なプロセスの解析や設計に使えるように体系化されたものです。講義内容のポイントは,実際の化学工業における「反応器」周りへの熱力学の適用手法の基礎を学ぼうというものです。反応器に導入される原料のガスや液の輸送動力は~ 予熱の際に必要になる熱量は~ 原料は反応条件において気体なのか液体なのか,両者が混在しているのか,それならば液相と気相での成分濃度はどうなるのか~ 反応はどこまで進むのか~ 化学平衡時の組成はどうなっているのか~ などの疑問に応えるための基礎となります。基本は,平衡条件の把握です。主として,相平衡と化学平衡を扱います。数式が多く,なかなか理解し難い分野ですが,なぜ,こういう知識や手法が必要かという点と併せて説明していきます。

【授業の到達目標】
熱力学の基礎を化学プロセスの解析や設計に使うためのルートを理解すること。特に,非理想系(実在ガスや溶液)の取り扱いの基本と,分離器内での相平衡,反応器内での化学平衡の基礎が理解できるようにする。

【授業概要(キーワード)】
内部エネルギー,エンタルピー,ギブズ自由エネルギー,相平衡,状態方程式,化学平衡,非理想系,フガシティー,活量,化学ポテンシャル

【科目の位置付け】
この講義は,物質化学工学専攻の学習・教育目標「(A)地球環境と融和できる化学技術者・研究者の養成」に主に対応する。

【授業計画】
・授業の方法
基本的に講義。ときに宿題を課す。
・日程
2年次に履修した「物理化学 I」および3年次の「化学工学熱力学」をベースとして,そこから実際のプロセスの取り扱いについて説明する。主に以下の各項目を講義する。
1.熱力学第一法則 - エネルギー保存則 - と開放系における第一法則
2.熱力学第一法則の応用 - 熱化学 -
3.熱力学第二法則 - エントロピーの増大則 -
4.第一法則と第二法則の結合 - 平衡の基準と Gibbs エネルギー -
5.純物質の相平衡と平衡関係の定式化
6.純物質の p-V-T 関係と状態方程式
7.非理想性の導入 - フガシティーの定義と意味 -
8.混合物の熱力学の基礎 - 化学ポテンシャルと相平衡の基準 -
9.混合物の熱力学の基礎 - 部分モル量と混合状態量,化学ポテンシャルの統一的記述 -
10.溶液系の熱力学
11.化学平衡と平衡定数および温度依存性 - 反応 Gibbs エネルギー -
12.化学平衡と平衡組成 - 様々な平衡定数 -
13.混合物の相平衡 - 二成分系の気液平衡の相図と相平衡の計算 -
14.演習とまとめ
15.演習とまとめ

【学習の方法】
・受講のあり方
私語、飲食、携帯電話,途中での教室への出入り,そのほか、他の受講生の迷惑となる行為は厳に慎むように。
・授業時間外学習へのアドバイス
予習はすることが望ましいが,なかなか難しいかも知れない。むしろ,復習することを推奨する。その際に演習問題に取り組むことを強く推奨する。

【成績の評価】
・基準
化学プロセス内での相平衡,化学平衡をイメージでき,その定量的計算が可能なこと。熱力学の基礎を理解して,現象に適用できること。
・方法
期間中に何度か課題を提出してもらい,その結果から評価する。

【テキスト・参考書】
小島和夫著 「かいせつ化学熱力学」培風館
アトキンス著 物理化学(上・下)(東京化学同人)/斎藤,小島,荒井共著「例解演習 化学工学熱力学」(日刊工業新聞社)/斎藤正三郎著「平衡物性推算の基礎」(培風館)/Y.A.Cengel, M.A.Boles 共著「図説 基礎熱力学」「図説 応用熱力学」(Ohmsha)/その他,タイトルに「熱力学」とある参考書全て

【その他】
・学生へのメッセージ
勉強すること。とにかく,分かり辛い分野なので,参考書を何度も何度も読んで,イメージを作ること。
・オフィス・アワー
学生が部屋に来てくれて,教員が在室して,急ぎの用事がないの三条件が揃ったすべての時間

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