理工学研究科Graduate School of Science and Engineering
PCE500Y1（プロセス・化学工学 / Process/Chemical engineering 500）物質移動特論Mass Transfer
山下 明泰Akihiro YAMASHITA
授業コードなどClass code etc
| 学部・研究科Faculty/Graduate school | 理工学研究科Graduate School of Science and Engineering |
| 添付ファイル名Attached documents | |
| 年度Year | 2023 |
| 授業コードClass code | YB515 |
| 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4/Mon.4 |
| 科目種別Class Type | |
| キャンパスCampus | 小金井 |
| 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 | |
| 実務経験のある教員による授業科目Class taught by instructors with practical experience | |
| カテゴリーCategory | 応用化学専攻 |
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Outline (in English)
The basic principles in chemical engineering include both equilibria and kinetic theories. Among them, kinetic theories are composed of the following three things, i.e., momentum transport, energy transport, and mass transport. In this lecture, basic theories on mass transport are taken into account in detail that is the most directly related to industrial production processes.
Goals:
It is well known that there exists an analogy among theories on momentum transport, energy transport, and mass transport. We then learn not only mass transport but also other transport phenomena, seeking for growing the sense of entire chemical engineering.
Methods:
The mass transport includes both diffusion and convection mechanism; however, in most cases these two phenomena occur at the same time. We derive necessary equations for analyzing the system of interest. Students are expected to learn by heart their derivation procedures as well as the name of equations, resulting in receiving higher knowledge of chemical engineering.
This course is exclusively taught in English.
Work to be done outside of class (preparation, etc.):
Several take-home examinations that may include a derivation of an appropriate equation of the system are required. Solutions and comments will be available from LMS.
Changes following student comments:
It would be wonderful if the students realize that an analysis for the real system may be done by integrating an appropriate governing equations and mathematics is not an essential part of the procedure, although it is an important tool. Memorizing well-known equations is necessary and help students understand genesis of the system.
Equipment student needs to prepare:
Important concept and the derivation of equations are shown on the board (or on the PowerPoint if on the WEB), while a schematic representation of the system is always shown on the screen. Since numerical analysis is an important part in the 2-nd half of the course, students are advised to be well-trained for utilizing EXCEL.
Others:
Students must carry their own laptops to the class in the 2nd half of the course.
授業で使用する言語Default language used in class
英語 / English
授業の概要と目的（何を学ぶか）Outline and objectives
化学工学の基礎理論は平衡論と速度論からなる。このうち速度論は、運動量移動、エネルギー移動、および物質移動の３つの理論に大別できるが、本講義ではその中で工業生産に最も直接的に関わる物質移動の基礎理論を取り扱う。
到達目標Goal
運動量移動、エネルギー移動、および物質移動の基礎理論の間にはアナロジーが成立する。このため本講義では、単に物質移動を学ぶに留まらず、他の移動現象理論に通じる化学工学的センスを養うことを最終的な目標とする。
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」「DP2」「DP3」に関連
授業で使用する言語Default language used in class
英語 / English
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. ）
物質移動は分子拡散と対流の２つに分けることができるが、通常、この２つの現象は同時に生じる。特に拡散と自然対流とが生じているときには、切り分けが難しいこともある。本講義では例題を中心に、必要な数式を誘導するが、人の名前がついた有名な数式については、その導出を含めて記憶することで、確実な知識が身につくように配慮する。尚、本科目は総て英語で講義する。
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.)
なし / No
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。
第1回 No.1[対面/face to face]：質量と体積
Mass and Volume
固体や流体の質量を、微小要素の体積から定義する。
Mass of solids and fluids are defined from their volumes.
第2回 No.2[対面/face to face]：運動量、エネルギー、物質移動のアナロジー
Analogy among theories on momentum, energy, mass
運動量、エネルギー、物質移動の３者には、互いにアナロジーが成立する。
There exist an analogy among three kinetic theories.
第3回 No.3[対面/face to face]：分子拡散と対流
Molecular diffusion and Convection
物質移動を支配する分子拡散と対流について解説する。
Basic principles on molecular diffusion and convection are discussed.
第4回 No.4[対面/face to face]：拡散係数
Diffusion coefficient
分子拡散を支配する拡散係数の推算法について述べる。
Estimation of diffusion coefficient is discussed.
第5回 No.5[対面/face to face]：基礎輸送方程式
Governing equations on transport phenomena
一般化されたフィックの第１法則を導出する。
Derivation of generalized Fick's 1st law is discussed.
第6回 No.6[対面/face to face]：基礎輸送方程式の使い方
Usage of governing equations
一般化されたフィックの第１法則を、実験系に合わせて簡易化する方法を考える。
Simplification of the Fick's 1-st law is considered for practical use.
第7回 No.7[対面/face to face]：蒸発と一方拡散
Vaporization and unidirectional diffusion
２成分系の例題として、蒸発系を考える。
The rate of vaporization is considered in binary system.
第8回 No.8[対面/face to face]：等モル相互拡散
Equimolar counter diffusion
２成分系の例題として、混合系を考える。
An example problem with mixing is discussed in binary system.
第9回 No.9[対面/face to face]：固体内拡散
Diffusion in solid
固体内での非定常拡散、すなわちフィックの第２法則（拡散方程式）を考える。
Diffusion in solid or the Fick's 2-nd law is discussed.
第10回 No.10[対面/face to face]：反応を伴う定常状態物質移動（１）
Steady mass transport with chemical reaction (1)
固体表面で化学反応を伴う気相系の輸送現象を取り扱う。
Transport phenomena on the surface of a solid with heterogeneous chemical reaction is considered.
第11回 No.11[対面/face to face]：反応を伴う定常状態物質移動（２）
Steady mass transport with chemical reaction (2)
溶液内の化学反応について、一時瞬間不可逆反応を仮定した解析を行う。
Transport phenomena in a solution with homogeneous chemical reaction is considered.
第12回 No.12[対面/face to face]：偏微分方程式の数値解法
Numerical solutions for a partial differential equation
偏微分方程式の数値解を求めるための一般的方法（有限差分法）について講義する。
A general method for obtaining numerical solutions (Finite Difference Method) to a partial differential equation is discussed.
第13回 No.13[対面/face to face]：ラプラス方程式の数値解法
Numerical solutions for the Laplace equation.
有限差分法によりラプラス方程式の数値解を求める。
A Laplace equation is solved by the finite difference method.
第14回 No.14[対面/face to face]：拡散方程式の数値解法
Numerical solutions for the diffusion equation.
有限差分法により拡散方程式の数値解を求める。
A diffusion equation is solved by the finite difference method.
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.)
【本授業の準備・復習時間は、各４時間を標準とします。】
数式の誘導を含む演習問題を、レポートとして課す。課題に対するフィードバックは学習支援システムで行う。
テキスト（教科書）Textbooks
水科篤郎・荻野文丸著 「輸送現象」 (産業図書).
Mizushina T, Ogino F: YUSO-GENSHO-RON (SANGYO TOSHO CO., JAPAN, in Japanese)
参考書References
Bird RB, Stewart WE, Lightfoot EN: Transport Phenomena, Wiley (1960, 2nd ed. 2002).
成績評価の方法と基準Grading criteria
レポート課題（100%）による。
It will be done by the scores of several take-home examinations（100%）.
学生の意見等からの気づきChanges following student comments
物質移動の本質を客観的に理解するためのツールとして、本科目における数式の運用は避けられないが、化学工学的に大切なことは数学ではなく、微分収支を積分することで得られることを理解させたい。そのためには基礎となるいくつかの数式の記憶は必須であることを教授する。
学生が準備すべき機器他Equipment student needs to prepare
重要な考え方や数式の誘導は総て板書するが、図、表、問題文などは常時スクリーンに投影し、喚起を図る。後半期は数値解析が重要となるので、エクセルの操作法に習熟しておく必要がある。
その他の重要事項Others
後半期は講義にノートパソコンを持参することは必須となる。