2024年度学院等開講科目生命理工学院生命理工学系

物理化学第一（生命の熱力学）

開講元: 生命理工学系
担当教員: 三重正和 / 小畠英理 / 長田俊哉 / 石井佳誉
授業形態: 講義 (対面型)
メディア利用科目: -
曜日・時限 (講義室): 火1-2 (M-278(H121)) / 金1-2 (M-278(H121))
クラス: -
科目コード: LST.A201
単位数: 200
開講時期: 2024年度
開講クォーター: 1Q
シラバス更新日: 2025年3月17日
使用言語: 日本語

シラバス

授業の目的（ねらい）、概要

物質・エネルギーや物理的変化・化学変化に関する事物・現象に関し、熱力学と分子運動論を中心として、物理学の基本的な概念や原理・法則の理解を深めることを目標とする。日常生活に表れる様々な運動と力・圧力・エネルギーや、物質の状態と変化に関し、広く土台となる科学的な見方や考え方を養う。特に、抽象的で難解とされることの多い、熱の関わる現象の本質を理解することにより、状態や反応の変化の向き、利用することができるエネルギーといった、自然現象全般の根幹となる法則の本質を理解し、科学的な考察能力を深める。

到達目標

1) 分子運動論を理解し、力学的エネルギーと熱エネルギー、力と圧力、温度の分子論的意味を説明できる。
2) 熱力学第一法則の理解により、エネルギーの諸形態と保存を説明できる。
3) 熱力学第二法則の理解により、熱・温度と仕事に関する考察を深め、エントロピーと変化の向きを説明できる。
4) ギブズエネルギーを理解し、利用できるエネルギー、相平衡と相転移に関わる事象を定量的に議論できる。
5) 分子論・熱統計力学の観点から、微視的にエントロピー・温度・ギブズエネルギーの意味を理解し、熱の関わる現象の本質を説明できる。

キーワード

熱力学、分子運動論、エントロピー、ギブズエネルギー、平衡状態と自発的変化、反応、相平衡と相転移

学生が身につける力

専門力
教養力
コミュニケーション力
展開力 (探究力又は設定力)
展開力 (実践力又は解決力)

授業の進め方

教科書「アトキンス生命科学のための物理化学」に即して、入門的に詳細な解説を講義で行います。随時、テキストにある問題を演習的に各自で解いて理解を深めます。

授業計画・課題

	授業計画	課題
第1回	基本概念と気体分子運動論（三重　正和）	温度と圧力・運動エネルギーとの関係を、気体を分子の衝突からなる分子運動論により導出する。
第2回	系と外界、仕事と熱、内部エネルギー（三重　正和）	系と周囲（熱浴）下での仕事・熱・内部エネルギーに関する基本関係式を記述する。
第3回	熱力学第一法則：エネルギー保存則、エンタルピー、物理過程（三重　正和）	物理過程におけるエンタルピー変化を、エネルギー保存則としての熱力学第一法則を用いて計算する。
第4回	化学反応とエンタルピー：結合エンタルピー、生成エンタルピー、反応エンタルピー、熱機関の思考実験カルノーサイクル、熱効率、クラウジウスの不等式（三重　正和）	化学反応におけるエンタルピー変化を計算する。カルノーサイクルにおける熱の出入りと仕事を計算し、熱効率とクラウジウスの不等式を導出する
第5回	熱力学第二法則：エントロピー、平衡、自発変化の向き（石井佳誉）	自発変化の向きをエントロピーを用いて定量的に記述する。
第6回	熱力学第三法則、化学反応に伴うエントロピー変化（石井佳誉）	絶体エントロピーを理解する。化学反応に伴うエントロピー変化を計算する。
第7回	ギブズエネルギー、自発変化と平衡、最大仕事（石井佳誉）	全系のエントロピーとギブズエネルギーの関係を理解し、自発変化・平衡・化学反応におけるギブズエネルギー変化と仕事を定量的に記述する。
第8回	微視的状態から観た熱平衡と不可逆変化、温度、エントロピー（石井佳誉）	熱力学第二法則の分子論的考察から、エントロピーと温度を統計力学的に理解する。
第9回	ボルツマン分布、ギブズエネルギーの分子論的意味、エネルギー等分配則（石井佳誉）	ボルツマン分布とギブズエネルギー変化の意味を分子論的視点から理解する。
第10回	相転移とギブズエネルギー、相図（小畠　英理、長田　俊哉）	相転移におけるギブズエネルギーの圧力変化と温度変化を定量的に記述し、相図を理解する。
第11回	物質固有な点、水の相図、生体高分子・凝集体における相転移（小畠　英理、長田　俊哉）	水の相図が特徴的である理由を説明する。核酸やタンパク質構造と生体膜の相転移をギブズエネルギー変化により定量的に理解する。
第12回	混合物の熱力学的記述、化学ポテンシャル：一様性、溶媒、溶質（小畠　英理、長田　俊哉）	溶媒と溶質に関し、化学ポテンシャルの濃度依存性を定量的に記述する。
第13回	活量、ドナン平衡、混合のエントロピー、沸点・凝固点の変化、浸透圧（小畠　英理、長田　俊哉）	ドナン平衡の細胞における役割を理解する。混合のエントロピー・沸点上昇・凝固点降下・浸透圧に関し化学ポテンシャル変化から定量的に記述する。
第14回	浸透圧法、反応ギブズエネルギー、反応比、生物学的標準状態（小畠　英理、長田　俊哉）	浸透圧法によりモル質量を計算する。反応ギブズエネルギーの濃度依存性、反応比について定量的に記述する。

準備学修(事前学修・復習)等についての指示

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

Atkins他『アトキンス生命科学のための物理化学第２版』東京化学同人，2014年，ISBN-13: 978-4807908387.

参考書、講義資料等

Atkins他『アトキンス物理化学(上) (下) 第8版』東京化学同人，2009年，ISBN-13: 978-4807906956, 978-4807906963.
Tinoco他『バイオサイエンスのための物理化学第5版』東京化学同人，2015年; ISBN-13: 978-4807908806.
Reif他『統計物理＜復刻版＞バークレー物理学コース』丸善，2011年; ISBN-13: 978-4621083437.
長岡洋介『統計力学』岩波書店，1994年; ISBN-13: 978-4000079273.
Phillips他『細胞の物理生物学』共立出版，2011年; ISBN-13: 978-4320057166.

成績評価の方法及び基準

各教員より課せられる課題等により評価する。適宜授業内での質問を含む小テストを行う。小テスト・課題：100%。

履修の条件・注意事項

特に無し。