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熱物理工学

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科目ナンバリング
  • G-ENG07 5G005 LJ77
  • G-ENG05 5G005 LJ71
  • G-ENG06 5G005 LJ71
開講年度・開講期 2020・前期
単位数 2 単位
授業形態 講義
配当学年 修士
対象学生 大学院生
使用言語 日本語
曜時限 月3
教員
  • 松本 充弘(工学研究科 准教授)
  • 吉田 英生(工学研究科 教授)
  • 岩井 裕(工学研究科 教授)
授業の概要・目的 熱物理工学は、機械系工学の基盤をなす学である。その学の対象になる熱は、まずミクロには統計科学の視点をもって、そしてマクロには熱工学の応用を含めて考究することが肝要である。本講では、そのミクロとマクロの研究の基礎をとり扱う。
ミクロな視点からは、統計力学の思想、物理現象の階層性・縮約・粗視化、ノイズ・フラクタル・カオス、確率過程の基礎と最適化問題への応用、などについて講述する。
一方、マクロな視点からは、まず熱力学の中心概念の一つであるエントロピーについての理解を深め、地球環境問題を理解するための基礎としての大気と海洋の科学、さらに今後のエネルギー利用の柱となる水素エネルギーの基礎と応用につき講述する。
到達目標 「熱」を、ミクロとマクロな視点から、また科学と工学の様々な立場から理解し、かつ応用できるレベルに到達することを目標とする。とりわけ、ミクロな視点からの講義では物理現象の階層構造を理解してモデル化する能力やデータ解析の能力を、またマクロな視点からの講義では地球環境問題を正しく考える基礎力を習得して欲しい。
授業計画と内容 ブラウン運動(松本),1回,ミクロスケールの熱現象を考える出発点となる「例題」として、ブラウン運動を紹介し、Cプログラミングによる数値実験について述べる。
輸送係数と相関関数(松本),1回,ブラウン粒子の拡散現象を例に、非平衡統計熱力学の基礎である搖動散逸定理を紹介し、ミクロからマクロへの物理的階層構造の考え方を紹介する。
スペクトル解析とフラクタル解析(松本),2回,ブラウン運動の速度相関関数や粒子軌跡を例に、1/fノイズなど時系列データのスペクトル解析についてのトピックスと、自己相似性をもつフラクタル図形など空間データのパターン解析についてのトピックスを取り扱う。
確率過程と最適化問題への応用(松本),3回,ブラウン運動を少し一般化して、モンテカルロ法など確率過程を応用した数値計算法について述べ、最適化問題などへの応用を紹介する。また確率偏微分方程式を概説する。
大気と海洋の科学(吉田),4回,地球による重力と地球の自転の結果として作用するコリオリ力とが支配的な場での熱流体力学を基礎として、太陽からのエネルギー輸送、そして大気中および海洋中でのエネルギー輸送の結果としての大循環現象、さらに地球温暖化の科学について述べる。
水素エネルギーの科学(岩井),2回,水素原子・分子に関する基礎的な性質を説明した上で、エネルギー媒体としての水素の特徴をとりわけエクセルギーの点から述べ、さらにその製造法、貯蔵、利用に関する実際例についても解説する。
原子力エネルギーの科学(岩井),1回,東京電力福島第一原子力発電所の重大事故が発生したこともあり、機械系技術者が理解しておくべき原子力エネルギーの基礎事項につき解説する。

レポート課題などのフィードバック,1回。
成績評価の方法・観点 レポート(電子メール、オンラインアンケートシステムでの提出)による。優れたレポートに関しては、フィードバック授業の題材ともして、高い評価を与える。
履修要件 学部レベルの熱力学、流体力学、統計力学、伝熱工学、数値計算法など
授業外学習(予習・復習)等   
参考書等
  • 講義の中で適宜紹介する。