2016年度 熱力学(機械) A   Thermodynamics (Mechanical Engineering)

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開講元
機械系
担当教員名
佐藤 勲  野崎 智洋  長谷川 純  長崎 孝夫  村上 陽一  大河 誠司 
授業形態
講義 / 演習
曜日・時限(講義室)
月5-8(I121)  
クラス
A
科目コード
MEC.E201
単位数
2
開講年度
2016年度
開講クォーター
2Q
シラバス更新日
2016年4月27日
講義資料更新日
-
使用言語
日本語
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講義の概要とねらい

熱力学は機械工学における重要な専門分野であり、地球環境問題やエネルギー・資源問題を工学的に扱う上でも根幹をなす学問であるため、本講義は機械工学で最初に学ぶべき必須科目として位置づけられます。講義では、熱、仕事、化学エネルギーなどが関与する系の諸現象や、それに関わる物理法則のポイントを学び、理解を深めるための演習時間も設けます。

到達目標

本講義では、
1) 熱力学における基礎項目を理解すること
2) それらをエネルギーの利活用に際して応用できること
を到達目標とします。これらは、「伝熱学」や「エネルギー変換工学」といった講義の修得に際して役立ちます。

キーワード

熱、仕事、エネルギー

学生が身につける力

国際的教養力 コミュニケーション力 専門力 課題設定力 実践力または解決力
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授業の進め方

本講義では、温度や状態量、熱力学の諸法則の説明からスタートし、熱サイクル、各種熱機関の特徴を理解した上で、熱エネルギーを活用するための基礎能力を身につけます。理解を深めるため、授業時間内に演習時間も設けます。

授業計画・課題

  授業計画 課題
第1回 イントロダクション(熱力学の目的と概要)
第2回 系、エネルギーの形態、熱力学第零法則と温度、熱、仕事 系の概念を修得し、各種エネルギーと熱、仕事の関係、温度と熱の関係を熱力学的に理解する。
第3回 状態量、状態変化、理想気体、アボガドロの法則 状態量と状態変化の概念と理想気体近似の本質を理解した上で、理想気体における状態変化を定量的に評価できるようにする。
第4回 熱力学第一法則(熱力学的平衡、準静的過程、閉じた系) 閉じた系における熱力学の第一法則を理解し、準静的過程における状態変化を予測する。また熱力学的平衡の概念を理解する。
第5回 熱力学第一法則(開いた系) 開いた系における熱力学の第一法則を理解し、準静的過程における状態変化を予測する。
第6回 熱力学第二法則(熱機関と熱効率、カルノーサイクル、第二法則の表現) 熱機関サイクルとその熱効率の概念をもとに、熱力学に第二法則を理解する。その上で、具体的な熱機関サイクルとしてのカルノーサイクルの動作を学び、その熱効率を評価する。さらに、熱力学に第二法則のさまざまな表現を理解する。
第7回 熱力学第二法則(エントロピー、可逆/不可逆過程) 熱力学の第二法則をもとに、状態の乱雑さを表す状態量であるエントロピーの概念を学ぶ。エントロピーの概念に基づき可逆過程と不可逆課程の違いを理解する。
第8回 エクセルギー、自由エネルギー エントロピーの概念をもとに、工学的に利用できるエネルギーの指標であるエクセルギーと系の自発的変化の指標である自由エネルギーの概念を導く。
第9回 熱力学の一般関係式(マクスウェルの関係式、クラペイロン・クラジウスの式) これまでに現れた状態量間の関係式を導き、マクスウェルの関係式、クラペイロン・クラジウスの式等の実用上有効な関係式を用いて状態量を評価する。
第10回 化学反応 化学反応の基本を学び、反応熱と自由エネルギーの関係、反応速度と温度の関係を理解する。
第11回 実在気体と蒸気 実在気体と蒸気の状態変化を評価する方法を学ぶ。
第12回 ガスサイクル(オットーサイクル、ディーゼルサイクル) 実用内燃機関ガスサイクルであるオットーサイクルとディーゼルサイクルの動作を学び、その熱効率を評価する。
第13回 ガスサイクル(ブレイトンサイクル、スターリングサイクル) ガスタービンエンジンの理論サイクルであるブレイトンサイクルおよび外燃機関ガスサイクルであるスターリングサイクルの動作を学び、その熱効率を評価する。
第14回 蒸気サイクル(ランキンサイクル) 蒸気エンジンサイクルであるランキンサイクルの動作を学び、その出力や熱効率を評価する。
第15回 蒸気サイクル(蒸気圧縮サイクル)、熱力学の応用トピックス 冷凍サイクルの典型である蒸気圧縮サイクルの動作を学ぶとともに、その他の熱力学の応用例について知る。

教科書

JSMEテキストシリーズ「熱力学」日本機械学会

参考書、講義資料等

森康夫・一色尚次・河田治男「改正版熱力学概論」養賢堂、必要に応じて資料を配布します。

成績評価の基準及び方法

熱力学における基礎項目の理解と、熱エネルギー利活用に際してそれらを応用できるかを評価します。中間試験・期末試験(80%)、演習(20%)で成績を評価します。

関連する科目

  • MEC.E311 : 伝熱学
  • MEC.E331 : エネルギー変換工学

履修の条件(知識・技能・履修済科目等)

微積分学の基礎知識を有していることが望ましい。

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