国立大学法人 東京工業大学

講義の概要とねらい

　物理化学は，材料の製造及び安定性を理解するために必須の学問体系である。本授業では，これまで学んできた熱力学および速度論を再確認するとともに，実際の材料に応用するために必要な事項を加え，実際の材料に適用する手法を学ぶ。

本講義では，金属物理化学を構成する熱力学と速度論について並行して解説していく。熱力学については、第一～第三法則の復習からはじめ、ギブズエネルギー、化学ポテンシャルなどの熱力学関数について解説する。続いて，ギブズの相律を状態図や化学反応を含む系に適用して、系を平衡させるために必要な示強変数の考え方を解説する。さらに気体成分の活量、凝縮相成分の活量と相互作用係数について解説し、化学反応を含む系についての化学平衡計算手法の基礎を提供する。その応用として最後にエリンガム図に言及する。一方、速度論については、鉄鋼製錬と速度論の関係及び物質・運動量・エネルギーの流れの概念を概説したのち、拡散流と反応速度についての講義を行う。まず、フィックの第一・第二法則を解説し、定常及び非定常状態における拡散流束を定量的に取り扱えるようにする。次に、反応速度論、特に鉄鋼製錬において重要な不均一反応について解説する。特に、律速段階や素過程について未反応核モデルを用いて説明する。
　「金属物理化学」は、材料系の多くの講義の基礎を成すとともに，高温材料やプロセスの研究・開発を進める上でも重要な科目である。ある材料を製造しようとしたときに、二つの観点から検討する必要がある。すなわち、「熱力学的に」その材料が自発的に生成する条件を検討すること、また「速度論的に」それがどの程度の速度で生成するのかを検討することである。熱力学的に「起こらない」と判定されたことは決して起こらない。熱力学や速度論の考え方を将来自分の学士論文研究にも適用してみてほしい。　

到達目標

【到達目標】材料熱力学(M)で学んだ熱力学，化学反応動力学(M)で学んだ速度論を基礎とし，これらの学問を金属の高温プロセスや金属の高温安定性に関わる問題に適用できるまで理解し，応用できるようになることを目標とする。
【テーマ】反応や物質移動の駆動力となるGibbsエネルギーを理解し，Gibbsエネルギーが引き起こす様々な現象を解析する手法を身につける。　

本講義を履修することによって次の能力を修得する。
１）内部エネルギー変化、エンタルピー変化、エントロピー変化、ギブズエネルギー変化の計算ができる。
２）ギブズ相律を用いて、相平衡や化学平衡を達成するために固定すべき示強変数を考察することができる。
３）活量の概念を説明でき、ギブズエネルギー変化や平衡定数を用いて化学平衡計算ができる。
４）エリンガム図の作成方法を理解するとともに，それを使うことができる。
５）物質、運動量、エネルギーの流れの概念が理解できる。
６）定常・非定常状態における拡散流束を定量的に取り扱えるようになる。
７）素過程や律速段階の概念を理解し、不均一反応速度を定量的に取り扱えるようになる。

キーワード

熱力学第一・第二・第三法則、内部エネルギー、エンタルピー、エントロピー，ギブズエネルギー、化学ポテンシャル、化学平衡、ギブズの相律、活量、標準状態、相互作用係数、エリンガム図、流束、定常、非定常、フィックの法則、拡散係数、反応速度、アレニウスの式，活性化エネルギー，素過程、律速段階、不均一反応

学生が身につける力(ディグリー・ポリシー)

授業の進め方

毎回の講義の前半で，復習を兼ねて前回の演習問題の解答を解説します。講義の後半で，その日の教授内容に関する演習問題にもたくさん取り組んでもらいます。各回の学習目標をよく読み，課題を予習・復習で行って下さい。

授業計画・課題

授業時間外学修（予習・復習等）

学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。

教科書

講義資料を配布する。

参考書、講義資料等

アトキンス 『物理化学第8版上・下』東京化学同人，ISBN: 978-4-8079-0695-6, ISBN: 978-4-8079-0696-3
日本金属学会 『金属物理化学』丸善,　ISBN: 4-88903-011-5

成績評価の基準及び方法

熱力学の各法則、各熱力学関数、ギブズの相律、活量、エリンガム図、拡散流束、化学反応速度の考え方，計算法及びそれらの応用について，その理解度を評価　配点は，中間試験・期末試験（70％），演習（30％）

関連する科目

• MAT.A204 ： 材料熱力学
• MAT.M203 ： 化学反応動力学(M)
• MAT.M202 ： 統計力学（M）
• MAT.M207 ： 金属の状態図と相安定
• MAT.M304 ： 結晶成長と組織形成

履修の条件(知識・技能・履修済科目等)

材料熱力学（MAT.A204），化学反応動力学（MAT.M203）を履修していること，または同等の知識があること。

連絡先（メール、電話番号）    ※”[at]”を”@”(半角)に変換してください。

須佐匡裕 susa.m.aa[at]m.titech.ac.jp
林 幸 hayashi[at]mtl.titech.ac.jp

オフィスアワー

(須佐)　メールで事前予約すること。
（林）　　メールで事前予約すること。

その他

年度によって、奇数回の講義と偶数回の講義の順序が変わることがあります。最初の講義で案内しますので注意してください。