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シラバス詳細照会

シラバス詳細照会

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授業情報

開講年度 2019年度 開講箇所 先進理工学部
科目名
材料プロセス工学

担当教員 野田 優/花田 信子
学期曜日時限 春学期  木2時限
科目区分 専門選択必修 配当年次 3年以上 単位数 2
使用教室 52-202教室 キャンパス 西早稲田(旧大久保)
科目キー 2804023022 科目クラスコード 01
授業で使用する言語 日本語
  コース・コード PCSX30ZL
大分野名称 プロセス・化学工学
中分野名称 プロセス・化学工学
小分野名称 プロセス・化学工学
レベル 上級レベル 授業形態 講義

シラバス情報

最終更新日時:2019/05/09 12:31:35

授業概要 ものづくりでは、化学反応とその平衡はもとより、速度も重要となる。種々の現象を題材に平衡状態と速度過程の基礎を講義するとともに、物理化学と化学工学に立脚した材料プロセスを講義する。(DP1: 応用化学の長い伝統を踏まえて体系的に整理された化学を修得する。高度な専門科目を履修する。)
授業の到達目標 身の回りの種々の化学現象を平衡と速度の観点で把握でき、物質変換の速度を定量的に扱え、かつ材料プロセスを具体的にイメージできるようになる。
事前・事後学習の内容 講義前に、教科書にて該当部分を読んで下さい。予習に60分程度以上かかると想定されます。
講義後に、講義内容を復習し、クイズに回答、レポートとして提出して下さい。復習に60~120分程度以上かかると想定されます。
授業計画
1:
第1回 新材料・デバイスの可能性と、プロセスの役割 (4/11野田)
カーボンナノチューブを題材に、新材料の持つポテンシャルを示すとともに、準安定な材料を作るプロセスの中に平衡支配と速度支配の現象が共存することを紹介する。
2:
第2回 平衡と定常と速度 (4/25野田)
平衡状態と定常状態の違いを説明し、速度過程を制御することで、平衡状態で安定相の単結晶だけでなく、多結晶や非晶質などの準安定相を定常状態で実現できることを説明する。
3:
第3回 速度過程の方向性 (4/26野田, 56-101, 16:30-18:00)
受動輸送に対する能動輸送、標準ギブス自由エネルギー変化が正の反応など、一見、平衡に反して見える現象を説明し、速度過程の方向性とその過程の促進手段の考え方を解説する。
4:
第4回 収支と流束 (5/9野田)
代表的な反応器を用い物質収支と流束の概念を説明し、滞留時間・経過時間に伴う物質変換の進行を定式化する。同様に熱(エネルギー)の収支と流束を説明し、物質と熱の収支と流束を同時に考える。
5:
第5回 物質移動 (5/16野田)
拡散現象を概説、拡散係数を分子運動論から導出し、個々の分子のミクロな現象の物理化学と、連続体でのマクロな現象の化学工学を繋げる。また、拡散支配での材料構造形成の事例を紹介し、原子・分子の運動をイメージして材料プロセスの制御へ繋げる。
6:
第6回 流れと運動量の移動 (5/23野田)
流れにおける運動量の移動を概説、粘性係数を分子運動論から導出し、個々の分子のミクロな現象の物理化学と、連続体でのマクロな現象の化学工学を繋げる。気体と液体の粘性の特徴と急冷による非晶質材料の合成、層流と乱流、分子流と粘性流の特徴と、材料合成での特徴を説明する。
7:
第7回 境界層と境膜 (5/30野田)
火の粉の燃焼を題材に、濃度境界層と境膜モデル化を説明する。表面反応速度係数と物質移動係数、定常状態近似の考え方を説明し、拡散律速下での燃焼速度を導出する。
8:
第8回 エネルギーの移動 (6/6野田)
運動量・物質・熱の輸送と境膜について比較説明する。空気中で自由落下する火の粉の境膜を運動量の輸送で求め、境膜に応じた物質の輸送から反応速度を求め、反応速度に応じた熱の輸送から火の粉の定常温度を求める。
9:
第9回 非定常での変化速度 (6/13野田)
伝熱の三様式を概説する。非定常状態での伝熱を扱い、定常状態に至るまでの変化を理解し、時定数を求める。熱と物質と運動量の収支式を比較し、共通の理解をする。過渡的な伝熱を活用したカーボンナノチューブ合成法の例を紹介する。
10:
第10回 ポテンシャル場 (6/20野田)
物質の遠心力場による分離、イオン交換樹脂および太陽電池での電場と濃度場のバランスによる平衡などを例示し、ポテンシャル場に従って拡散現象が進み、また拡散現象の時定数により現象の進行を制御できることを説明する。
11:
第11回 化学反応の速度 (6/27野田)
シリコン製膜での多数の素反応からなる複雑な複合反応の例を紹介し、律速段階ごとの複合反応の簡略化と支配因子を説明する。表面反応および酵素反応での速度式を導出し、律速段階の変化と速度の飽和を説明、シリコン製膜での表面反応を概説する。熱化学反応、電気化学反応、光化学反応、プラズマ化学反応で、それらの速度を比較紹介する。
12:
第12回 反応と拡散、速度と効率 (7/4野田)
固体触媒反応での反応と拡散の同時進行と、その程度を表す無次元数を説明する。この考えを、複合材料の作製過程、および半導体集積回路での微細孔埋め込みプロセスへ拡張する。
また、平衡操作での最大理論効率と、現実世界での有限時間・有限空間内での変換操作による平衡からのずれを説明し、抵抗の低減による平衡からのずれの低減の重要性を解説する。
13:
第13回 材料・デバイス技術1 (7/11花田)
エネルギー技術に関し、材料とデバイスを平衡と速度の観点で講義する。
14:
第14回 材料・デバイス技術2 (7/18花田)
エネルギー技術に関し、材料とデバイスを平衡と速度の観点で講義する。
15:
第15回 教場試験と解説 (7/25(仮)野田・花田)
講義内容全般の理解度を確認し、ポイントを解説する。
教科書 小宮山宏著「速度論」朝倉書店
成績評価方法
割合 評価基準
試験: 60% 身の回りの種々の化学現象を平衡と速度の観点で把握でき、物質変換の速度を定量的に扱え、かつ材料プロセスを具体的にイメージできる。
レポート: 40% 毎回の講義終了時に出題するクイズに、レポートで答える。

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