情報科学部Faculty of Computer and Information Sciences
PHY349KA-CS-354（物理学 / Physics 300）エントロピー -熱・統計力学、情報-Entropy
秋野 喜彦Nobuhiko AKINO
授業コードなどClass code etc
| 学部・研究科Faculty/Graduate school | 情報科学部Faculty of Computer and Information Sciences |
| 添付ファイル名Attached documents | |
| 年度Year | 2022 |
| 授業コードClass code | J0031 |
| 旧授業コードPrevious Class code | |
| 旧科目名Previous Class title | |
| 開講時期Term | 秋学期授業/Fall |
| 曜日・時限Day/Period | 月3/Mon.3 |
| 科目種別Class Type | |
| キャンパスCampus | 小金井 / Koganei |
| 教室名称Classroom name | 各学部・研究科等の時間割等で確認 |
| 配当年次Grade | |
| 単位数Credit(s) | 2 |
| 備考（履修条件等）Notes | |
| 他学部公開科目Open Program | |
| 他学部公開（履修条件等）Open Program (Notes) | |
| グローバル・オープン科目Global Open Program | |
| 成績優秀者の他学部科目履修制度対象Interdepartmental class taking system for Academic Achievers | |
| 成績優秀者の他学部科目履修（履修条件等）Interdepartmental class taking system for Academic Achievers (Notes) | |
| 実務経験のある教員による授業科目Class taught by instructors with practical experience | |
| SDGsCPSDGs CP | |
| アーバンデザインCPUrban Design CP | |
| ダイバーシティCPDiversity CP | |
| 未来教室CPLearning for the Future CP | |
| カーボンニュートラルCPCarbon Neutral CP | |
| 千代田コンソ単位互換提供（他大学向け）Chiyoda Campus Consortium | |
| 選択・必修Optional/Compulsory | |
| カテゴリー（2022年度以降入学者）Category (2022~) | |
| カテゴリー（2021年度以前入学者）Category (~2021) | |
| カテゴリーCategory |
専門教育科目 科学基礎科目 |
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Outline (in English)
【Course Outline】
Elementary concepts of thermal physics and statistical physics will be explained. These are essential to understand thermal phenomena. Especially, "entropy", which is related to the irreversible process, will be main topic in this class. Information entropy will be briefly discussed.
【Learning Objectives】
1. To understand the fundamentals of thermal physics and statistical physics, which are the essential to understand/explain the state of matter in our real world.
2. To learn the relationship between the macroscopic equilibirum and the microscopic number of states, which leads to the concept of statistical "entropy".
3. To be familiar with the information entropy as well as thermal/statistical entropy.
【Learning activities outside of classroom】
Students will be expected to have completed the required assingments after each class meeting. Four hours will be your standard study time for this class.
【Grading Criteria/Policies】
Overall grade in this class will be decided based on the followings;
Assingments: 15%, Quizes in each class: 15%,
Mid-term examination: 20%, Final examination: 50%
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の概要と目的（何を学ぶか）Outline and objectives
熱現象の理解に必要な諸概念を概説します．具体的には，熱力学と統計力学の初歩を学び，とくに自然に起きる不可逆な過程を特徴づける「エントロピー」についていろいろな視点から解説します．情報理論にもエントロピーが現れるが，自然科学で用いるエントロピーと対比します．
到達目標Goal
１．熱力学，統計力学の初歩をマスターし，物質の状態変化を数式の利用により理解できるようにします．
２．マクロな視点での熱平衡状態を実現するミクロな状態の数を数式を用いて把握できるようにします．
３．物理学のエントロピーと情報理論のエントロピーについて，それが表す内容の概略を把握します．
この授業を履修することで学部等のディプロマポリシーに示されたどの能力を習得することができるか（該当授業科目と学位授与方針に明示された学習成果との関連）Which item of the diploma policy will be obtained by taking this class?
ディプロマポリシーのうち「DP1」と「DP4-2」に関連
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の進め方と方法Method(s)（学期の途中で変更になる場合には、別途提示します。 /If the Method(s) is changed, we will announce the details of any changes. ）
通常の講義に加え，いくつかのチェックポイントを設け，鍵となる概念およびその数式的な運用をテーマとする課題を課し，必要に応じてその解説を行う予定です．
アクティブラーニング（グループディスカッション、ディベート等）の実施Active learning in class (Group discussion, Debate.etc.)
あり / Yes
フィールドワーク（学外での実習等）の実施Fieldwork in class
なし / No
授業計画Schedule
授業形態/methods of teaching：対面/face to face
※各回の授業形態は予定です。教員の指示に従ってください。
1[対面/face to face]：エンジンの歴史
「火に仕事をさせる」ための装置，エンジンの歴史を概観します．
2[対面/face to face]：カルノーエンジン
エンジンの効率を科学的に論じた最初の研究が，どのような考え方を重要視したかを調べます．
3[対面/face to face]：温度と熱
温度の定義と測定法，および熱とは何かを確認します．
4[対面/face to face]：気体の状態
理想気体，状態方程式，熱平衡状態，準静過程などを学習し，基本概念を確立します．
5[対面/face to face]：気体のエネルギー
気体の内部エネルギーと熱の出入りについて，明確な議論ができるようにします．
6[対面/face to face]：気体の熱力学
まとめと中間テスト
7[対面/face to face]：エントロピー１
履歴によらず現在の状態だけで決まる量，エントロピーを導き出します．
8[対面/face to face]：気体分子運動論
箱に閉じ込められた多数の原子・分子について簡単な力学を用い，理想気体の状態方程式を導きます．
9[対面/face to face]：自然におきる変化
熱現象として自然な変化の方向があることに注目し，エントロピーの変化と比較します．
10[対面/face to face]：統計力学１
原子・分子のミクロな状態と日常的に観察できるマクロな状態を橋渡しします．等重率の原理が鍵となる．熱平衡状態をミクロな視点で理解します．
11[対面/face to face]：統計力学２
ボルツマンによるエントロピーの定義を導入します．熱平衡状態に向かう過程でエントロピーが増大することを学びます．
12[対面/face to face]：統計力学３
一つのマクロ状態を実現するミクロ状態の数を最大とする分布を求めます．熱平衡状態を実現するボルツマン分布を学びます．
13[対面/face to face]：自由エネルギー
自然におきる熱現象の記述に最適な量が何かを考えます．
14[対面/face to face]：情報エントロピー
情報理論における情報量と情報エントロピーを導入します．
授業時間外の学習（準備学習・復習・宿題等）Work to be done outside of class (preparation, etc.)
課題：担当教員のホームページあるいは授業時間中に指示します．
授業時間外学習：本授業の準備・復習・課題等に，各週につき４時間を標準とします．
テキスト（教科書）Textbooks
各回の講義で随時配布
参考書References
一般的な熱力学や統計力学の基礎に関する書籍であれば参考になります．入門書の例として以下を挙げておきます．
熱・統計力学（物理入門コース） 岩波書店
成績評価の方法と基準Grading criteria
課題レポート・ミニテスト・中間試験（50％），期末試験（50％）の総合点で評価します．
学生の意見等からの気づきChanges following student comments
熱力学と統計力学の初歩の学習を通じて，何気なく用いているエントロピーという概念に親しめます．