〈学習内容を一部紹介〉

・本講座の全体像と学習の流れを理解する
・熱とは見えないエネルギーの一形態であり、分子運動によって生じる
・熱エネルギーは分子の振動によって発生し、水の微振動からその現象を理解することができる
・絶対零度は分子の振動が完全に停止する温度で、0ケルビン（-273.15℃）に設定されている
・熱エネルギーを利用して機械を動かす原理を学び、熱の利用可能性を考える
・分子の動きは非常に複雑であり、熱力学ではこれらの集団的な動きを総合的に解析する
・温度は分子の運動エネルギーの平均値であり、このエネルギーの変化が物質の状態変化を引き起こす
・熱力学の基礎は蒸気機関の開発に由来し、この分野の歴史はアイオロスの球から探ることができる
・熱力学が4大力学（機械力学、材料力学、流体力学）とどのように関係しているかを学ぶ
・熱力学が熱の効率的利用を学ぶのに対し、伝熱工学は熱の伝わり方を学ぶ
・仕事と熱はエネルギーの伝達手段であり、エネルギーの質の違いを理解することが重要である
・熱が加わると分子の運動エネルギーが増加し、それに伴い温度が上昇する

〈学習内容を一部紹介〉

・熱力学を理解するためには、基礎的な物理、化学、数学の知識が必須である
・熱力学で扱う対象を「系」、それ以外を「周囲」または「外界」と呼ぶ
・系は「閉じた系」と「開いた系」に大きく分けられる
・閉じた系は物質の出入りがない系である
・独立系は物質やエネルギーの交換がない独立した系である
・相変化には融解、凝固、蒸発、凝縮、昇華が含まれる
・熱力学には、第0法則から第3法則までの4つの法則がある
・熱エネルギーは分子の振動によって生じ、その平均値が温度となる
・熱力学では、摂氏温度ではなく絶対温度（ケルビン）を用いる
・気体の状態は分子数によって変わり、その数はアボガドロ数を基準に計算する
・アボガドロの法則によると、等しい体積の異なる気体は同じ数の分子を含む
・化学熱力学ではモルを基本単位とし、分子量と質量の関係を学ぶ
・熱力学で扱う物理量は特定の記号で表され、温度と圧力は絶対値で扱う
・絶対圧力は絶対真空を基準として用いられる
・気体の物理量は状態量と非状態量に分けられる
・熱力学で使う状態量には温度、圧力、体積、内部エネルギー、エンタルピー、エントロピーがある
・状態量は示強性と示量性に分類される
・状態量の計算は初期と最終の状態を比較して行う
・熱力学の基本的な状態変化には、等圧変化、等温変化、等容変化、断熱変化がある
・準静的変化または準静的過程とは、ほぼ静止した状態での変化を指す
・熱力学では可逆変化を基本とし、実際の変化には補正係数が適用される
・偏微分では、全微分の公式が重要であり、変数の微小変化を偏微分で表す

〈学習内容を一部紹介〉

・熱力学の第一法則を学び、絶対仕事、工業仕事、内部エネルギー、エンタルピーを理解する
・第一法則は、エネルギー交換がなければ系のエネルギーは一定である
・エネルギーは仕事として外部に出力でき、外部からの仕事をエネルギーに変換できる
・熱はエネルギーの一形態で、仕事に変換したり、逆にエネルギーを熱に変換できる
・熱力学の第一法則により第一種永久機関が実現不可能なことがわかる
・閉じた系におけるピストンとシリンダーを使った絶対仕事の計算方法を学ぶ
・大気圧を考慮すると、絶対仕事は理論値より少なくなる
・加わる熱はエネルギー増加、行う仕事はエネルギー減少を意味する
・開いた系で行う仕事は工業仕事と呼ばれ、タービンを例に学ぶ
・質量保存の法則により、開いた系では入口と出口の質量流量が等しい
・エンタルピーは内部エネルギーと圧力×体積の和である
・開いた系と閉じた系を比較し、工業仕事と絶対仕事、内部エネルギーとエンタルピーの違いを学ぶ
・加熱器や冷却器を例に、開いた系での熱エネルギーの処理方法を学ぶ
・工業仕事とエンタルピーの関係を、エネルギー変換プロセスを通して学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・状態変化に基づいて仕事や熱量を計算し、非状態量を状態量の変化で表す方法を学ぶ
・実在気体と理想気体の違いを理解し、理想気体の概念で熱力学を簡単に解析する
・理想気体の状態方程式で圧力、体積、質量、温度の関係を理解し、ガス定数で計算する
・等圧変化の特性とボイル・シャルルの法則を理解する
・理想気体の内部エネルギーとエンタルピーは温度の関数である
・気体の比熱を、体積一定の場合と圧力一定の場合に区別し、それぞれの比熱を学ぶ
・定圧比熱が定容比熱より大きい理由を理解する
・温度、圧力、体積の関係を理解し、熱量や仕事の計算を行う
・理想気体の状態変化を等温変化、等圧変化、等容変化、可逆断熱変化で表す方法を学ぶ
・等温変化では、熱量がすべて仕事に変わることを理解する
・閉じた系での等温変化を数値で計算する方法を学ぶ
・等圧変化と等容変化の違いを理解する
・断熱変化と可逆断熱変化（等エントロピー変化）の違いを理解する
・閉じた系の第一法則で、断熱変化が内部エネルギーの差で表されることを学ぶ
・開いた系の第一法則で、工業仕事がエンタルピーの差で表されることを理解する
・状態方程式を使い、仕事と熱量の違いを計算する方法を習得する
・実際の機械で完全な断熱が難しいことを理解し、ポリトロープ変化について学ぶ
・可逆断熱変化が理論上可能でも、摩擦や渦の影響でエネルギーが戻らないことを理解する
・状態方程式を理解することで、内部エネルギーやエンタルピー、比熱の理解を深める
・具体的な状態変化を通じて、非状態量である仕事や熱量を状態量の変化で表す方法を学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・熱力学の第二法則を学び、エネルギーが高い質から低い質へと変化する法則を理解する
・カルノーサイクルの効率とエントロピーの概念を学び、エネルギーの一方向の流れを数値化する
・熱を仕事に変換する際の限界とその理由を、第二法則を通じて理解する
・クラウジウスの原理を学び、熱が自然に高温から低温に移動することを理解する
・トムソンの原理から、温度差がないと熱から仕事を得られないことを学ぶ
・熱力学の第二法則を通じて、第二種永久機関が不可能なことを理解する
・サイクルの概念を学び、エネルギー変換がサイクル内でどのように行われるかを理解する
・PV線図でサイクルの表現を理解し、実際のエンジンサイクルを例に学ぶ
・冷凍機とヒートポンプの違い、熱の移動方法を学ぶ
・カルノーサイクルは、等温膨張、断熱膨張、等温圧縮、断熱圧縮の4つの可逆変化で構成される
・カルノーサイクルの熱効率が最大になる理由とその計算方法を習得する
・熱効率を最適化するために、高温熱源の温度を上げるか低温熱源の温度を下げる方法を学ぶ
・カルノーサイクル以外の可逆サイクルの基本概念を理解する
・クラウジウスの積分を通じて、エントロピーの基礎を学ぶ
・エンタルピーとエントロピーの違い、それぞれの性質を学ぶ
・エントロピー増大の法則を理解し、時間の進行と不可逆性の関係を学ぶ
・TS線図を使った熱機関の分析方法を習得する
・温度とエントロピーの関係を理解し、可逆変化の理解を深める
・ジュールの実験を通じて、エネルギー変換がエントロピーに与える影響を学ぶ
・ホットコーヒーがなぜ自然に冷めるのかをエントロピーの変化で理解する

〈学習内容を一部紹介〉

・熱機関の設計において、受け取った熱エネルギーをどれだけ仕事に変換できるかを学ぶ
・一般的な周囲環境温度である25度（298.15ケルビン）を基に熱力学を学ぶ
・低温熱源から取り出せる最大エネルギー（有効エネルギー、エクセルギー）を理解する
・取り出せないエネルギー（無効エネルギー、アネルギー）について学ぶ
・受け取る熱量、エクセルギー、アネルギー、不可逆変化によるエネルギー損失の関係を理解する
・不可逆変化によるエントロピー増加とエクセルギー損失について学ぶ
・冷凍機とヒートポンプがどのように効率的に熱を移動させるかを理解する
・エクセルギー効率の概念とその計算方法を習得する
・閉じた系と開いた系におけるエクセルギーの計算方法を学ぶ
・周囲環境と同じ温度と圧力で変化した場合の、最大仕事とその計算式を理解する
・熱量や仕事が状態量ではないため、それらが状態変化によってどのように変わるかを学ぶ
・エクセルギーを使えば、変化の方法を考慮せずにエネルギー計算ができる
・変化前後のエクセルギーから、得られる最大仕事を計算する方法を学ぶ
・エクセルギーと自由エネルギーの使用場面の違い（物理変化と化学変化）を学ぶ
・ヘルムホルツの自由エネルギーとギブスの自由エネルギーの違いを理解する

〈学習内容を一部紹介〉

・工業で扱う混合気体の基本として、空気と水蒸気の混合気体について学ぶ
・理想気体として扱える混合気体の特徴と湿り空気について理解する
・実在気体の特性と状態方程式を学ぶ
・理想気体の混合気体に適用される「ダルトンの法則」を理解する
・混合気体中の各気体のガス定数と質量割合を使って、空気のガス定数を求める方法を学ぶ
・湿り空気と乾き空気の定義を理解する
・低い分圧で水蒸気を含む湿り空気を理想気体として扱う妥当性を学ぶ
・湿り空気線図を使い、圧力に対する温度や絶対湿度などを求める方法を学ぶ
・実在気体では分子間力の影響を考慮する必要があることを学ぶ
・ファンデルワールスなどの状態方程式を学び、実在気体の挙動を解析する
・水蒸気の性質を例に、蒸気の基本を理解する
・飽和温度に達した液体（飽和液）と沸騰前の液体（圧縮液）の違いを学ぶ
・湿り蒸気における乾き度の概念を理解する
・蒸気の変化を比エンタルピーと温度のグラフで表す方法を学ぶ
・水と水蒸気が共存する状態から氷が生成する三重点を学ぶ
・水や水蒸気に関する実験データを基に、蒸気表の利用方法を学ぶ
・湿り蒸気の状態量を内挿法で求める方法を学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・連続して仕事を取り出すためにサイクルが必要であることを学ぶ
・実際のサイクルを紹介し、知識の活用方法を学ぶ
・熱機関をガスサイクルと蒸気サイクルに分類し、それぞれの違いを学ぶ
・スターリングエンジン（外燃機関）とガソリン、ディーゼルエンジン（内燃機関）の特徴を学ぶ
・蒸気タービンを例に、火力発電と原子力発電での蒸気サイクルを学ぶ
・カルノーサイクルや複雑な実際のサイクルの解析方法を習得する
・理想サイクルの条件とその重要性を学び、4サイクルエンジンで実際のサイクルとの違いを理解する
・4サイクルエンジンの吸気、圧縮、膨張、排気の4行程を学ぶ
・ガスサイクルにはピストン式、タービン式、ジェットエンジン式があることを学ぶ
・オットーサイクルの理論熱効率と、比熱比や圧縮比が与える影響を理解する
・ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの運動原理や燃焼方法の違いを学ぶ
・ディーゼルサイクルにおける圧縮比と締切比が熱効率に与える影響を学ぶ
・複合サイクルをPV線図やTS線図で解析する方法を学ぶ
・ブレイトンサイクルとその改良サイクルを学び、等圧変化と断熱変化の関係を理解する
・ブレイトン再生サイクルでは圧力比が大きいほど熱効率が低下することを学ぶ
・ブレイトン再生サイクルの圧力比と熱効率の関係を理解し、TS線図で表す方法を学ぶ
・ランキンサイクルが蒸気タービンを使う火力発電や原子力発電の基本サイクルであることを学ぶ
・再熱ランキンサイクルで、タービンと再熱器を追加しカルノーサイクルに近づける方法を学ぶ
・混合給水加熱器型と表面給水加熱器型の加熱方法を学び、ランキンサイクルの熱効率向上を理解する
・冷凍サイクルを学び、熱を低温から高温へ移動させる原理を理解する
・蒸気圧縮、吸収式、空気冷凍サイクルの特徴を学ぶ
・蒸気圧縮冷凍サイクルの冷媒の流れと、膨張弁の機能で温度が下がる原理を理解する
・ジュール・トムソン係数による圧力変化時の温度変化と、冷媒温度を下げる条件を学ぶ
・蒸気圧縮冷凍サイクルで熱を奪う原理と成績係数の計算方法を学ぶ
・蒸気圧縮冷凍サイクルの成績係数を上げる方法を学ぶ
・化学反応を利用する吸収式冷凍サイクルの原理を理解する
・逆ブレイトンサイクルを使った空気冷凍サイクルのPV線図とTS線図を学ぶ