又來到了一年「兩度」的選填志願時節

有無數高中生面臨到了我先前也無法了解的問題

就是「化工」「化學」「應化」(特別是交大應化)甚至是「材料」系,到底有何不同。

 

先介紹個人背景。

筆者於數年前透過學測進入台大化工大學部

再以推薦甄試取得直升台大高分子科學與工程學研究所的資格,專攻高分子材料合成,

現於加州大學柏克萊分校材料科學與工程學研究所 (根據ARWU世界學術排名,材料科學領域全球第3)

攻讀第二個碩士學位。

 

(加州大學柏克萊分校的材料系館: Hearst Memorial Mining Building,為一超過百年的建築)  

(http://swospam0418.pixnet.net/blog/post/457232675   

連結說明: 漫長暑假不知道要做什麼嗎? 前往美國排名第一化學研究所進行短期研究的機會 !!)

 

先提醒大家一個辨別科系的好方法

就是和那個「系」字前面是用什麼修飾

比方說「資訊管理系」和「資訊工程系」

一個是管理系,一個是工程系。前者在台大是屬於管院,後者是電資學院

這樣大家應該就不會搞混了吧

一樣的,「化學工程系」和「化學系」,一個是工學院,一個是理學院,學得當然不一樣

 

還要再提醒大家,只要是踏入了二類科系,就要有面對數學和物理的心理準備,

這是絕對逃不掉的哦。接下來開始正式進入本文內容。

 

整理幾個校系的網址在這邊


http://www.che.ntu.edu.tw/ntuche/cht/101_obligatory.php  台大化工必修

http://www.ch.ntu.edu.tw/office/enter/coursesc.pdf  台大化學必修

http://www.ac.nctu.edu.tw/programs/archive.php?class=103  交大應化必修

http://www.mse.ntu.edu.tw/index.php?option=com_content&view=article&id=314:colledge&catid=103&Itemid=729&lang=tw 

台大材料必修

 

一般的文章,大多是在介紹 : 化工系重大量生產、化學系重理論…之類的內容,

因此我在此先針對這句話來表達我的見解。

大家學化學也好幾年了,看過這麼多化學式,

化學家的任務,就是研究出反應需要的條件,像什麼溫度下會反應、用什麼催化劑、反應的機制等。

不過在這種類型的研究中,

反應系統被限制在小小的圓底燒瓶中,量很少,基本上是幾克甚至毫克的數量級,

只要一個小小的攪拌子,就能讓系統很容易達到均衡,

因此不太需要考慮熱量傳遞等會影響到化學反應的因素。

但是在實際工廠中,不可能和實驗室一樣用燒瓶來小量生產,這樣一定是成本大增,

而且在大量生產的時後,原本小小的因素 (如熱量因素)就會被放大,足以使化學反應受到影響,

比方說,一個很大的反應槽中,有些地方會因為溫度高而先反應,有些卻達不到反應溫度,

要用什麼方式來最好地 (包括效果還是成本等層面) 解決這個問題呢? 

化學工程師,是一群具有化學背景的工程師,就是負責解決這一類生產製造時會發生的問題。

他們的任務,就是要知道 : 要用什麼反應器、要怎麼回收未反應之反應物、怎麼分離產物、

如何降低廢棄物的量、如何回收尚可再利用的催化劑、如何最佳化各部件的使用效率等等。

相關問題就會涉及到管線中流體流動的各種現象、熱量傳送過程的各種現象、物質傳遞的手法與現象等等。

 

是筆者認為,這對高中生來說,太過於抽象、遙遠了

故以化工系畢業生的身份,直接介紹化工系的課程內容

讓大家知道化工系讀四年,上課時到底都在學什麼樣的東西,

並在下篇 http://swospam0418.pixnet.net/blog/post/456655844 ,

進一步介紹化工系與材料系的差異,以及化工系畢業生的出路。

 

有一件事是很多人乍看之下無法明白的: 化學系與應化系,有何不同之處?

基本上,化學系和應化系在大學部的教育方面,沒有什麼特別差異,看看核心課程就知道了,

基本上是重疊的。

但是應化系會更偏重偏實用的化學,像是有機化學、分析化學,

比較理論性的物理化學 (physical chemistry)會弱一點

聽說現有的化工系其實前身也是應用化學系,那是在 a long long time ago,

現在早不是那一回事了。

如果在化學與應化兩者之間猶豫不決的人,可以從校名、資源、知名度等來考慮,

畢竟這些差異對於各位高中畢業生來說,還太遠了,而且老實說也沒有很重要。

 

那化工系和化學系 (應化系),又有何不同之處?

讀化工系,有以下核心概念: balance (mass balance、energy balance) flux and driving force,

中文是平衡 (質量和能量平衡)與驅動力。

 

一年級時,基本上都是理工科共同的內容 : 普物、普化、微積分等理工科的共同科目

就台大而言,還會針對難度和重點的不同 (針對不同科系)而進行甲、乙、丙的分類

台大化工身為物理、化學、數學並重的科系,自然是「三甲」

普物與普化,就是高中內容的延伸 (稍微加深、加廣)

筆者認為,對於過去長期接受中文科學知識的我們而言,

這是很好的熟悉英文科學名詞與用法的機會,務必好好把握。

微積分則是替未來的工程數學解微分方程做準備,

微積分將會貫穿未來大學四年的主科,是很重要的工具。

 

化工系在一年級下學期時會有一科「質能平衡」或「質能均衡」,就是化學工程的基本訓練

此時就會帶到「系統 (system)」的概念,並且介紹上面提到的「平衡」balance概念,

在這門課中,我們會一直需要去定義出「系統」的範圍在哪裡?

又針對這個系統,在遵守質量與能量的平衡之下,我們可以推測出哪些訊息?

像這樣的基本質能守衡概念將會貫穿大學四年的化工主科。

本門課還會提到化工系基本的數學概念 (因次群、單位換算等)和一些量產產品時需要的反應器,

在修完質能平衡後,學生會對未來三年會面對到什麼有一些基本的感覺。

 

另外,根據最新消息,未來台大化工大學部的新生,需要修習「程式語言」,

包括2/3的程式語言課程 (應該是C++Fortran),和1/3的初階Matlab課程,

雖然這毫無疑問增加了課業負擔,但事實上立意良好,

就程式語言方面,可以引領各位理解科式語言需要用到的邏輯思考方式,

對於理解計算機 (computer) 的運作方式也會有所幫助。

至於Matlab,在大二之後的專業科目,將會有所運用。

粗淺來說,過去大家在讀國、高中時,函數的運算都是用紙筆執行,

使用Matlab 之後,這些運算都可由電腦解決,並且繪製圖形,

而且可以進一步運用到數值分析、模型建立與分析等。

目前最先進的趨勢是資訊科學,像是「機器學習」 machine learning、「深度學習」deep learning

虛擬實境 (virtual reality)、自動駕駛 (autonomous driving) 等等, 

了解程式的世界對於各位來說,絕對是有益無害,

即便未來從事的是傳統產業,但是善用程式語言與數據蒐集/分析的功夫,勢必可讓傳產煥然一新。

 

一年級的部分就這樣子結束了。基本上都是一些共同科目,也就是微積分、普物、普化,

雖然可能有專業課,像化工系的質能平衡,與材料系的材料科學導論,

但都只是很粗淺、大綱式的內容。

二年級之後,理工科系的課程上就會開始有明顯的分別。以下進行比較。

 

化學系而言,

將會修到 : 有機化學、無機化學、物理化學、分析化學,以及個別的實驗

告訴懼怕物理的各位一個好消息 : 除了物理化學會「明顯地」用到大量物理與數學(內容包含了熱力、量力等)

有機化學和分析化學基本上即便有數學,也不是複雜的概念與符號。

無機化學是化工系基本上不會碰觸的,

據筆身自身的修課經驗,連化工系開設的「高分子化學」,都會特別跳過無機高分子的部分

(聽化學系的朋友說無機化學很難…)

事實上無機領域也基本上界定化工系與材料系的差異。

 

化工系(以下都將特指台大化工) (在我的年代),

大二上會有「五大主科」 : 物理化學,有機化學,工程數學,材料力學,分析化學

二下則是 : 物理化學,有機化學,工程數學,單元操作一。

大三上 : 化工熱力學,單元操作二,電工學

大三下 : 化學反應工程(有人稱其為化工動力學),單元操作三,化學工業程序,化工實驗一

四上 : 程序控制、程序設計 (各校間有差異)、化工實驗二

你沒看錯,化工系在大四還有主科,而且是最重要的綜合課程,

從上面的課程列表,不難看出化工系在大二~大三會過得很……紮實。

 

雖然化工系一樣會修有機、物化、分析等化學相關課程,

不過深入程度自然是完全不同,探討面相也不一樣,

畢竟化工系和化學系本來就有不同的重心。

以下就針對各個不同的學科進行介紹。

 

有機化學方面在上課時比較沒什麼差別,一樣是各式各樣的有機化合物的性質與反應,

將會學到「mechanism」,即「反應機制」,

探討詳盡的化學反應過程,包括電子的攻擊位置、反應中間物等,

這是高中不會碰到的。

高中的有機化學,只是簡單地介紹各式有機化學物質,即便是化學反應,也是背誦成分居多,

學了大學的有機化學,

你將會發現那些化學反應的背後是有機制在運行,是一場電子打來打去的遊戲,

市面上有一本「有機化學天堂秘笈」(天下出版),各位可以去書局翻一翻,大概了解一下

同時會搭配實驗課。筆者認為有機實驗是大學中最有趣的一門實驗課了

可以觀察到顏色的變化、結晶的形成、…

  (再結晶現象)

 

而且如果你掌握了化學反應的基本原理,可以在上課時偷偷玩自己想做的東西 

聽說化工系的有機化學,會比化學系的一些 (就是老師不會對化工系同學要求太高的意思啦)

事實上,課程的重點教學部分,往往和老師自身的研究專長有關。 

另外在實際運用方面,化工系的實驗室傾向直接運用化學系的研究成果來發展自身的研究。

簡單來說,化學系的教授闡明化學反應背後的原理,化工系的教授則直接應用化學反應。

 

分析化學」方面,化工和化學就差很多了,

化學系會把分析化學分成兩學期的課程,而且還特分為古典分析(統計學)和儀器分析,仔細講授。

化工系通常只會上一學期的分析化學,而且內容雖然也是統計學和儀器分析,但是教得內容「少很多」。

內容包括滴定、誤差、化學平衡、幾種主要儀器 (光譜儀、質譜儀、層析儀等)的原理與數據判讀等。

學了「分析化學」後,你將會知道:

為何化學家能判讀出化學物質的結構?那些化學物質的分子量是怎麼測量出來的?

「分析化學」基本上也帶有實驗課 。

  

照片說明: 美國加州「勞倫斯柏克萊國家實驗室」的「先進光源」設備,官網為 https://als.lbl.gov/

需要有在該實驗室工作的人引領才能參觀。

 

總而言之,化工系的化學課程,要求上不會跟化學系一樣嚴謹。

 

物理化學」是我個人認為最重要的 (對化工系而言)

化學系的物理化學,會同時注重熱力學(物質之巨觀)和量子力學(微觀),搭配反應動力學、統計熱力學等等,

探討分子的物理與化學特性。

化工系方面,傳統上是注重量子力學,而是會教授大量的熱力學(幾乎一學期都在教熱力學),

內容是現象的enthalpy (焓)、entropy (熵)、gibbs free energy (自由能)等性質 

比方說,探討物質狀態的改變,例如相變化 (比方說,大家熟知的固、液、氣轉變),或是化學反應,

熱力學將會試圖分析 : 這些物質「傾向」做什麼行為、這種變化「可不可能」發生。

畢竟所有的系統,基本上傾向處於熱力學的穩定平衡狀態 : 能量低、亂度大

當系統處於平衡狀態 (equilibrium),系統便不傾向變化

但是如果偏離 (deviation)了平衡狀態,便為產生使系統發生變化的「趨動力」 (driving force)

這些知識在過去是化工系學生在大二上的學習重心之一,

相關的知識在材料科學領域也非常重要,原因之一是材料科學家需要對物質的相態與晶態轉變瞭若指掌。

 

要注意的是,

台大化工從102學年起,決定大幅增加量子力學的比例,降低熱力學的比例,

原因是目前國際上在化工方面的科學研究已經幾乎脫離流體力學、程序控制等傳統領域,

轉型到更加微觀的半導體、電化學等材料相關領域,

另外,量子力學還可以應用在從「分子」 (molecular) 的角度去預測反應,

計算出反應過程中,各個階段的熱力學性質、活化能等特性,

進一步將化學反應給最佳化,已經提前預測設計出來的化學反應的可行性等。

 

除了改變課程內容,「物理化學」與「化工熱力學」的授課順序也一併調換了,

把原本是大三必修的「化工熱力學」(後述)移到大二上學期講授,「物理化學」則移至大二下與大三上。

除了順序的調換,課程的內容也有所調整,原因是「物理化學」與化工熱力學的內容有所重疊,

因此這兩個科目共通的內容在經過整併後,將在「化工熱力學」課程就一併講授,

如此一來就不需在「物理化學」中重覆學習熱力學相關的內容。

基本上,化工系會視需求,增求物理化學課程的內容,

而化學系則是明確地分成熱力學、動力學、量子化學等三個主題,分成三個學期講授。

「物理化學」也有搭配實驗。其中有一回實驗叫「燒玻璃」,

將會要求各位自己「吹出」玻璃器皿,非常有趣

 


 

重頭戲來了 !!

 

一直到大二上為止,化工系的課程一直都還和其它的理工科系:化學系、材料系等沒有很明顯的差別,

這其實暗示了一件事:到目前為止所學的內容,不管是微分方程還是種種物理學/化學知識,

都只是科學領域的「基本常識」,是解決各種問題甚至於模擬真實系統的基礎,

接下來要介紹化工系的核心科目 : 單元操作、化工熱力學、反應工程學、程序控制與設計

將會真正引領各位成為能以化學工程師角度解決問題的專業人士,

學習的內容絕對是100%的物理。

為了降低閱讀與理解的負擔,

另篇:(台大)化工系、化學系、應化系,有什麼不同(化工系會學什麼) - 2:必修主科與出路

以淺顯的文字介紹化工系各個必修課的大致目標,和化工相關科系學生的畢業出路,

並介紹材料系與化工系的差異

連結是 http://swospam0418.pixnet.net/blog/post/456655844  

 

另外,對赴美進修有興趣的讀者,可以參考以下連結以獲得關於留學準備的基本認知,

http://swospam0418.pixnet.net/blog/post/447668153 

 

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