ひょんなことから大学で熱力学を教える

色々ありまして某私立大学の薬学部の学生に熱力学を教えております。期間は半期で全部で14回です。準備期間が短く大変です。授業を用意するための備忘録を書いておこうと思います。

授業の目標は、「薬剤師国家試験で出題される、物理・化学・生物の該当問題が無理なく解けるようになること」にしました。

第１回　気体の状態方程式

理想気体の諸法則：

　　まずは高校の化学の復習からスタートする。ボイルの法則、シャルルの法則、ドルトンの分圧の法則、理想気体の状態方程式をおさらいする。温度のはなし（セルシウス温度、ファーレンハイト温度、絶対温度）

薬剤師国家試験：第103回、問４→理想気体の状態方程式

ファンデルワールスの状態方程式：

　　実在気体の状態方程式、ファンデルワールス定数（a, b：各気体に固有）、分子間相互作用の補正項（+an2/v2）と体積の補正項（-nb）を正確に覚えてもらう。

薬剤師国家試験：第111回、問91→ファンデルワールスの状態方程式

第２回　気体の分子運動論

気体の分子運動論とエネルギー：

　　統計熱力学の初歩的な内容。気体の分子運動論から理想気体の状態方程式を導く。

第３回　エネルギーの量子化、ボルツマン分布

マクスウェルの速度分布：

　　気体分子の分子運動論の続き。気体分子の速度、運動エネルギーについて。マクスウェルの速度分布の特徴（温度が上がると分布が広がる。最大確率速度よりも平均速度の方が大きい、など）を理解してもらう。

薬剤師国家試験：第100回、問92→マクスウェル分布

気体分子の運動エネルギー：

　　ボルツマン定数の導入。気体1分子あたりの気体定数。気体定数をアボガドロ定数で割る。

　　単原子分子の運動→並進運動、x, y, z軸方向の３つの自由度

　　二原子分子の運動→並進運動に加えて、回転運動、振動運動が加わってくる

ボルツマン分布：

　　エネルギーの量子化。エネルギー準位の間隔。各エネルギー準位にどれだけの数の分子が分布するのか？

薬剤師国家試験：第110回、問93→ボルツマン分布

薬剤師国家試験：第105回、問94→ボルツマン分布

第４回　熱力学第一法則

熱力学における、系、外界、境界、開いた系、閉じた系：

　　系の定義。閉じた系は何に閉じているのか？

薬剤師国家試験：第110回、問２→閉じた系が外界とやりとりできるもの

熱力学第一法則

第５回　状態関数と経路関数

状態関数と経路関数

　　経路に依るのか依らないのか？経路関数は熱、仕事、活性化エネルギー。

示量性状態関数と示強性状態関数

　　加成性があるのか？示量性状態関数（足せる方）と示強性状態関数（足せない方）

閉じた系の熱力学第一法則

　　等温過程（温度が一定＝内部エネルギー変化がない）

　　断熱過程（外部との熱のやり取りがない）

　　定圧過程（圧力が一定なだけで、熱や仕事の出入りがある）

　　定容過程（体積が一定。したがって仕事の出入りがない＝加えた熱量はすべて内部エネルギー変化になる）

薬剤師国家試験：第99回、問92→熱力学第一法則の計算問題

薬剤師国家試験：第101回、問３→示強性状態関数

薬剤師国家試験：第107回、問93→状態関数と経路関数

薬剤師国家試験：第109回、問92→状態関数

薬剤師国家試験：第110回、問91→閉じた系の熱力学第一法則

第６回　熱容量

　　熱容量と比熱

　　定圧熱容量と定容熱容量

薬剤師国家試験：第98回、問92→定圧熱容量と分子運動

第７回　エンタルピー

　　エンタルピーと熱

　　〇〇エンタルピー（化学反応、相転移）

薬剤師国家試験：第109回、問96→熱容量とエンタルピー

第８回　エントロピー、熱力学第二法則

　　熱力学的エントロピーと統計学的エントロピー

　　シュレーディンガーの「生命とは何か？」とエントロピー

薬剤師国家試験：第103回、問１→乱雑さとエントロピー

薬剤師国家試験：第101回、問91→純物質のエントロピーの温度異存性

薬剤師国家試験：第108回、問92→エントロピーの正誤問題

第９回　熱力学第三法則、ギブズエネルギー

　　熱力学第三法則。絶対エントロピー、残余エントロピー

　　ギブズエネルギーとヘルムホルツエネルギー

薬剤師国家試験：第97回、問91→熱力学の正誤問題

第１０回　化学ポテンシャル

　　化学ポテンシャルとは何か？

　　化学ポテンシャルと平衡の方向

　　ギブズエネルギーと平衡定数

薬剤師国家試験：第105回、問5→化学ポテンシャルの穴埋め問題

薬剤師国家試験：第106回、問2→ギブズエネルギーの選択問題

第１１回　ルシャトリエの原理、ファントホッフプロット

　　ルシャトリエの原理と平衡の方向（緩和する方向、つまり打ち消す方向）

　　ファントホッフプロットの傾きと吸熱反応（傾きが負）、発熱反応（傾きが正）

　　ファントホッフプロットから標準エンタルピー変化と標準エントロピー変化を求める

　　エンタルピー駆動とエントロピー駆動

薬剤師国家試験：第107回、問2→ルシャトリエの原理の選択問題

薬剤師国家試験：第97回、問92→ルシャトリエの原理の選択問題

薬剤師国家試験：第110回、問92→ファントホッフプロットの選択問題

薬剤師国家試験：第99回、問2→ファントホッフプロットの選択問題

第１２回　共役反応

　　共役反応とは何か？

　　ギブズエネルギーは足し算、平衡定数は掛け算

薬剤師国家試験：第108回、問2→共役反応と平衡定数

第１３回　相変化と状態図

水の状態図

　　各相（固相、液相、気相）の配置。各曲線（蒸発曲線、融解曲線、昇華曲線）の名称。三重点や超臨界状態の説明。クラペイロンの式とクラウジウス・クラペイロンの式。水と二酸化炭素の融解曲線の傾き。

薬剤師国家試験：第108回、問1→水の状態図と相変化

薬剤師国家試験：第98回、問93→クラペイロンの式と相転移

薬剤師国家試験：第102回、問93→化学ポテンシャルの状態図

ギブズの相律

　　状態を規定する独立変数の数、自由度Fを求める式。F＝C - P + 2。Fは三重点で0 (=1-3+2)。Fは蒸発曲線、融解曲線、昇華曲線上の点で１ (=1-2+2)。固相、液相、気相の各点で2 (1-1+2)。

薬剤師国家試験：第104回、問3→水の状態図とギブズの相律

相平衡　気相‐液相平衡

　　図の横軸と縦軸は何か。液相と気相、液相‐気相混合が図の中でどこに位置するのか？タイライン（組成を求める）、てこの規則（量比を求める）

第１４回　相平衡

相平衡　気相‐液相平衡

　　蒸留の原理。共沸混合物（葉っぱ2枚パターン）。2成分系で各成分の沸点より混合物の沸点が高くなる。異分子間相互作用の方が、同種間相互作用よりも強い。

相平衡　液相‐液相平衡（水とフェノール）

　　１相と２相（水相（上側）とフェノール相（下側）に分かれる。大事な点は水相にもフェノールが溶けており、フェノール相にも水が溶けていること。その組成を知るにはタイラインを引いて、相線と交わったところで垂線を下ろして横軸の目盛りを読む。また水相とフェノール相の量の比はタイラインからてこの規則を使って求める。

相平衡　液相‐固相平衡（共融混合物、ベンゼンとナフタレン混合物を例として）

薬剤師国家試験：第103回、問92→液相‐固相平衡（水と塩化ナトリウム）

薬剤師国家試験：第96回、問19→気相‐液相平衡（クロロホルムとアセトン）

四季から二季へ（日々の雑感）

今年の大阪は特に暑く感じました。10月の第２週までTシャツ一枚で出勤しておりましたが、それ以降は急に寒くなりました。一時は紅葉は１２月ではないかと思ったりしましたが、今年も阪大の近くの三色彩道ではモミジバフウが綺麗に紅葉しました。今日は午前中は快晴でしたのでカメラを抱えた人が沢山いました。

淡路島でシンポジウムに参加しました

 仕事で淡路島で開かれた国際シンポジウムに参加してきました。場所は淡路夢舞台です。いつも色々な学会やシンポジウムでお世話になっている会議場で、ホテル（グランドニッコー淡路）が併設されていてとても便利なところです。

スケジュールがタイトでほとんど外出もできませんでしたが、夕方のビーチを撮影してきました。瀬戸内海は波が穏やかで映えますね。太平洋の荒波を見て育ったので、別世界の感があります。

脂をエネルギーに変換する（日々の雑感）

これまでのマラソンではいずれも平凡かつ低調な記録だったのですが、沢山ある原因の一つは体の重さだと思っています。身長163センチで体重61キロで、体脂肪率が常時20％越えとぽっちゃりしているのが悩みです。しかし食べることは私の生き甲斐で、揚げ物大好き、御飯大好き、甘いもの大好きなので、これまで減らそうとしても常に挫折しておりました。ただ、ついに明らかにお腹が出てきたので、何とか減らしたいと思い立ちました。

ネットで検索すると、脂肪を1㎏減らすには、7,000kcalほどカロリーの収支をマイナスにする必要があるそうです。これを１ヶ月で達成するためには、1日辺りに換算して約240kcalのマイナスとなり、この分を食事か運動で何とか減らさなければいけません。食べ物だと、どら焼き1個、御飯1.5膳、うどん1玉に相当し、運動だと、1時間ウォーキング、30分ジョギング、15分縄跳びだそうです。マラソンで速くなるにはジョギングを増やした方が良さそうです。

昨日はとりあえず夕食の御飯1合（530kcal）を素麺1束（乾燥重量100グラム、330kcal）に置き換えてみました。とりあえずは次のマラソンまでに体脂肪率15％を目指してみようと思います。

追記：先日、昔の職場の同窓会があり、以前一緒に仕事をした人たちと記念撮影したのですが、撮った写真をみて自分だけ顔がパンパンになっているのが恥ずかしく思いました。少しだけモチベーションが上がりました。

第10回記念・水戸黄門漫遊マラソンに参加して（9回目のフルマラソン完走！）

先日の10月26日に水戸黄門漫遊マラソンに参加しました。一週間前の天気予報が大雨だったので、大変不安だったのですが、幸運にも予報が外れて曇天の中のレースとなりました。9時スタートというこで8時前くらいにJR水戸駅に到着したのですが、既に駅は大混雑でした。今回は10回の記念大会ということでボランティアの方の人数も多いようでした。

着替えて少しだけアップをしてスタート地点（Eブロック）に整列すると、雨が降りそうで降らない微妙な天気だったのでビニール合羽を装着しました。

いざスタートすると天気はやや回復し、暑くなってきたので合羽は途中のエイドのゴミ箱に捨てました。レースプランはいつも通り、「ハーフまで走って、残りはその時の体力・筋力と相談する」でした。前半はちんたらと走って、ハーフを2時間23分（グロス）で折り返し、後半は35キロくらいまで走り、それ以降は歩いたり走ったりを繰り返して5時間00分48秒（グロス、ネットは4時間55分15秒）でゴールしました。ゴールした後は、ちょっとしたご褒美ということで、サザコーヒーで本日の珈琲とケーキを食べました。

一応、これでフルマラソンを9回完走できたのですが、いつも同じようなタイムでゴールしています。それを眺めて、遅ればせながらもう少し速くなりたいと思うようになりました。毎日それなりに忙しいのですが、日々少しずつ練習しようと思いました。

水戸黄門漫遊マラソンは完走すると印籠を模したメダルをいただけるのですが、今回は裏地が金色のメダルをいただけました。

十月にセミが鳴く（日々の雑感）

《十月にセミが鳴く》

今日は良い天気だったので散策していたところ、箕面の森の一角でセミが鳴いておりました。余りにも季節外れと驚きましたが、かく言う私も半袖のTシャツ一枚で歩いておりました。何時になったら秋らしくなるのかと少々うんざりする思いです。

《ゴールデンカムイ一挙放送》

この３連休は、CSチャンネルNECOでやっていたアニメ「ゴールデンカムイ」第１部～４部までの49話を一気見しました。血沸き肉躍るシーンの連続で面白かったのですが、体力不足の中年オジサンには流石に疲れました。

《坂口先生の偉業に沸く》

10月はノーベル賞のシーズンということで、今年は大阪大学の坂口志文特任教授がノーベル医学生理学賞を受賞されました。先生は随分前から受賞が有力視されていた方で、ついに受賞されたとのことで大変おめでたいです。当方は何の関係もないのですが、後日記者会見が行われた建物で垂れ幕の写真を記念に撮ってきました。

「カグラバチ」（外薗健著、ジャンプコミックス）第８巻が面白かった

私が少年だった時分は漫画ばっかり読んで…と言われたものですが、時代が寛容になり、その恩恵を受けて、漫画ばっかり読んでいます。この週末はカグラバチの第８巻を読みました。

この巻は、妖刀の所有者、座村さんの娘が中心人物です。過去の斉廷戦争によって傷を背負った人たちの重たい戦闘が続きます。

バトル漫画の常ですが、注目しているキャラが退場すると悲しいですね。