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暖かい空気は本当に「軽い」のか？
暖かい空気はなぜ上に昇るのでしょうか？ 初心者向け解説書などでは 「暖かい空気は、冷たい空気より軽いため」などと説明されています。 確かに、暖かい空気＝空気分子の平均的な運動エネルギーが冷たい空気より大きい＝空気の分子同士がはじきあう(?)力が大きいため、空気を押し縮める力(主に重力）に対して、押し広げようとする力が大きくなる＝空気の密度が小さくなる＝冷たい空気よりも体積あたりの重さ(=比重）が小さくなる=「軽い」という見方もできるかもしれません。 しかし、空気の分子は、一つ一つがランダムに動いており、(分子間力の影響は多少受けているとはいえ）熱気球のように強制的に膜などで仕切られ、まとめられているわけではないのですから、 空気を集団として考え、比重をもって「重さ」を論じることに果たして意味があるのでしょうか？ あくまで空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さなのではないでしょうか？(ここでは議論を簡単にするために、「空気分子」という単一の重さの分子を想定します） 果たして、「暖かい空気は『軽い』ので上昇する」という説明は、本質的に正しい説明なのでしょうか、それともそれはあくまでも初心者や子どもがわかるための「方便」で、実際にはもっと別な理由があるのでしょうか？ 以上、気体の対流について述べましたが、液体の場合も基本的に同じではないかと思います。 ただ、水の対流などを考えると、確かに比重の違いが上昇、下降の運動の変化と一致しているので、重い、軽いという説明に一定の根拠があるのかなとは思っています。 以上、どなたかご教授ください。 できれば高校の物理、化学レベルで説明していただけるとうれしいのですが、もう少し専門的な説明でも頑張って勉強しようと思いますので、よろしくお願いします。
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確かに、空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さです。 空気では、集団としての空気を考え、その比重をもって振舞いを論じます（論じることができます）。 このことを理解するために、次の思考実験するといいです。 ここに、大気中に周りより暖かい空気の塊があるとします。これが対象１です。 その暖かい空気の塊を風船のように何かの膜で囲ってあるとします。これが対象２です。 勿論、膜の材質の重さはないとします。 対象２が、比重をもって振舞いを論じることができるのは分かると思います。 対象１と対象２で、塊の内部の状態は同じです。（少なくとも短時間なら） 異なるのは、囲いのあたり、塊の周辺で外との境辺りです。 違いの具体的なことは、端的には、対象１では暖塊の内部から分子が出て行き、外から別の分子が入って来ることです。 しかし、次のようにも考えられます。 即ち、出て行こうとした分子が外部の分子と衝突して引き返して来た。外部の分子は内部分子に跳ね返されて外部に戻って行った。 そう考えれば、あたかも分子の行き来をさえぎる膜があるのと同じです。 ですから、境あたりでも、対象１は対象２と、分子の互いの運動の影響の仕方などが、同じです。 結局全体として、対象１と対象２は同じ、等価と言えます。
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- housyasei-usagi
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No.3のカンジニアです。回答に対するお礼の文に対しての返事です。 水と油を混ぜたらどうなるか。軽い油が上に浮いて重い水が下に行く。先の風船の例も同じです。 身近なところで，サラダドレッシングなど，２層に分かれているのありますよね。かける前に振ってくださいと書いてあるの。あれも，油分（というか脂分か？）が上で，水に溶ける塩分なりうまみ成分なりが下に分かれているもの。軽い物は重いものより上に行きたがるのです。これを脳内シミュレーションに当てはめられませんか？ 今回はあくまでカンジニアリングに徹して答えます。類推して考えて下さい。（とはいえ，エンジニアリング的に答えられなかったりして。） 類推（カンジニアリング）がいつも正しい訳ではありませんが，日常の経験をうまく生かせるかどうかが，カンジニアの大事なところ。 カンジニアリングは落とし穴にはまる事もしばしばです。理論も大事ですが，理論を考える前にいろいろと発想して，後から理論的裏漬けをしてはといった趣旨です。私の頭があまり良くないので理論に走れないのはご容赦願います。 最後に柔らか頭大好き！のカンジニアの私の意見です。
お礼
諸事情で、お礼が一月近く遅れてしまいました。本当に失礼なことで、申し訳ありません。 再度のご登場ありがとうございました。 ＞理論も大事ですが，理論を考える前にいろいろと発想して，後から理論的裏漬けをしてはといった趣旨です なるほど、肝に銘じさせていただきます。 今回ポイントを差し上げられなかったのは残念なのですが、私の心の中で、 「カンジニア」 に審査員(?)特別賞を差し上げたいと思っております。 どうもありがとうございました。 それと、この場をお借りしまして、この質問を締め切るに当たって皆さんに再度お礼をしたいと思います。 当初の私の質問の仕方、タイトルのつけ方がうまくなかったため、質問の趣旨を誤解した回答もありましたが、それらを含めて、全ての方のご回答がこの問題での私の理解を深めるのに非常に役に立ちました。 皆さん、本当にありがとうございました。
- Scull
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お答えになるかどうか定かではありませんが、液体などでは分子よりも大きな単位で集団化する「クラスタ」というものがあると聞いたことがあります。たとえば水よりも浸透圧が低いはずのイオン飲料が、水よりも吸収されやすいのは「イオン飲料溶液の方がクラスタのサイズが小さいから」なんだそうです。 このクラスタという単位で分子の運動を考えれば、温度の高いクラスタは密度が低く、低温のクラスタは密度が高くなるため、「上に行ったりしたに行ったり」という運動を説明しやすいのではないでしょうか？
お礼
諸事情がありまして、回答へのお礼が一月以上遅れてしまいました。本当に失礼しました。 クラスタですか、また新しい視点が出てきましたね。 私自身は、クラスタの問題には懐疑的に見ているのですが(下のサイトをご参考に）、 http://atom11.phys.ocha.ac.jp/water/water_cluster.html それはさておいてこの問題では、ざっと考えても以下のような論点が生まれてくるような気がします。 ・そもそも気体状態での分子がクラスタという形態をとるかどうか？ ・水分子でも10のマイナス11乗秒という短時間で消滅するクラスター現象（？）が、浮力という長時間、大スケールの活動にどれだけ影響するか？ ・アルゴン、ネオンなどの不活性ガスは原理的にクラスタという状態をとりにくいと思うが、気体を構成する分子によって温度による浮力の挙動に差異が生じるかどうか？ などなどです。 それでも、今回のご回答で、「答えが出きったつもりで、思考するのを簡単に切り上げちゃぁ、いけないなぁ」と思わされました。 本当にありがとうございました。
素人なので、すさまじくはずしている可能性が高いですが。。。（どなたか修正お願いします。） 勝手に質問を読み替えて、「どうして対流が起こるのか」と読み替えてみると分かりやすい説明としてこんなところ見つかりました。 http://nkiso.u-tokai.ac.jp/phys/matsuura/lecture/general/presentation/Convect/Convect.files/frame.htm ＃７さんのに近いかな。 ポイントは重力下なのでこういう現象が起こるということでしょうか。 エネルギー量が比較的近い一つの物質の集団を考えてみます。暖かい空気の集団、冷たい空気の集団、両方の集団内の全ての分子が同様に重力を受けます。とすると、集団の重心というものを固体の重心とのアナロジーで考えられる気がするのですが。 ＃７さんののお礼のところの質問ですが。両方とも大気圧ということですね。なら、動きようがない気がします。時間がたてば混ざるでしょうけど。
お礼
諸事情ありまして、お礼が一月近く遅れてしまいました。申し訳ありません。 今度の問題を考えてみるときに、分子レベルのミクロの視点と、マクロの視点の両面から捉えることが大切だと思うのですが、ご紹介のリンク先で、ミクロのレベルではどのような運動が起こっているのか、よく理解できました。 どうもありがとうございました。 それと、この場をお借りして申し訳ないのですが、NO.２さんとNO.７さんへのお礼の追加を。 あそこでは少し懐疑的なニュアンスで書いてしまった気がしますが、2人が延べられた空気の膨張による上昇も、実際の気象現象では大きな要素ではないかと思います。 (空気よりも地面の方が太陽で温められますので）
ご質問の趣旨は理解出来ます。 でもこれは比喩的な表現ではなく本質その物かと思います。 ある場所に暖かい空気分子の集団が有ったとして、確かに幕で覆われている訳では有りませんが個々の分子は一気に何メートルも動く訳ではなく、それぞれの位置で振動しながら分子同士の反発力で拡散するに過ぎない訳です。 つまりそれなりの時間温かい分子のみの空間が存在する訳でこれは短い時間で考えれば幕で覆われていると考えても良いのでは有りませんか。 そう考えればその集団に遠くの冷たい分子が急には入ってこられないわけですから温かい分子集団としては軽い状態を維持できる訳です。 すると重い空気が軽い集団の下に滑り込み結果軽い集団は上に上がる、と。 しかし時間が経てば個々の分子は拡散し温度の低い、つまり振動の程度の小さい方へ広がって行き、その結果同じ温度になり軽い重いと云う差は無くなる、と。 >>あくまで空気の分子一つ一つを見て考えれば‥ そうになるのはそれなりの時間が経過した後の事かと思います。
お礼
おぉ、わかりました！本当にありがとうございます。 なるほど、No.5の回答とあわせて考えると、「一つ一つの分子はランダムに動いているはずなのに、マクロで見ると固まっているように見えるのは何故か？」という点がよくわかります。 確かに、分子はランダムに動いているといっても、完全にでたらめに動いているわけではなく、ひとつのかたまり全体の平均をとってみると、ある大きさの運動エネルギーを持ってある方向に流れていると見ることができそうです。 こうして考えてみると、対流や上昇気流の問題だけでなく前線や潮流の境目で空気や海水が交じり合わないのは何故かという理由もわかります。 ただ、もう一度視点をミクロの世界に戻してみたときに、 暖かい空気のかたまりが、冷たい空気の上に上がろうとしているとき、分子レベルではどのような動きが起きているのか この点がイマイチ頭の中でイメージできていません。 とはいえ、気象現象を理解する上で、かなり大切な視点を教えてもらったと思います。どうもありがとうございました。
- 8942
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私もイメージで・・・・ (1)温度の高い空気の分子を生きているスズメ (2)温度の低い空気の分子を死んでいるスズメ それぞれ100匹を同じ鳥かごの中に放ったらっと想像する。 いかがでしょうか？ 素人考えですが・・・
お礼
ご回答ありがとうございます。 想像してみました。ちょっとびびりましたが・・・ 空気分子同士はぶつかったときに運動エネルギーのやり取りをしていますから、同じように死んだスズメと生きているスズメがぶつかったときには・・・ 生きているスズメは衝突死、死んでいるスズメはショックで息を吹き返す(あるいはどちらも半殺し状態に・・・） う～ん、かなりホラーですねぇ・・・
- leo218mm
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難しい問題な気がします。確かに激しく動く分子１つと動いてない分子だと動いている分子が上昇すると言うことですよね？ 想像の結果を回答します。３さんの言うカンジニアですね 箱に多量のパチンコ玉を入れます。半数にはバイブレーション機能搭載です ブルブル 震えているのが上のほうに上がりませんか？以上です 理由はわかりませんでした。 すいません
お礼
私も理由はわかりませんでいたが、そのような思考実験のアプローチを繰り返すことは有用だと思います。 どうもありがとうございました。
- pascal3141
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面白い問題ですね。分子の運動で考えるなら、暖かい気体は分子の運動が激しく、冷たい気体はあまり運動していないとすると、ある場所の気体が暖められるとその部分だけ分子運動が激しくなり、いろんな方向に行こうとします。ところが下は地面で分子が密な状態、前後左右も冷たい気体の集まりなので分子運動が活発でなく分子が密に詰まっている状態です。そのため、そちらのほうに動こうとしても、ぶつかってしまう確率が多くなります。とすれば比較的分子の少ない上の方に動くのではないでしょうか。結果として、暖かい空気は、上のほうに（圧力の少ないほうへ）動いていくことになります。
お礼
>面白い問題ですね ありがとうございます。私にとっては最高のほめ言葉だと思います。 NO.2さんと同じく、気体の膨張によって上昇気流を説明されているのだと思います。 だとすると次のような実験をしたら、どのような結果になるでしょうか？ １、断熱性の隔壁によって上下に二分割されている容器を用意します。上下の部屋には弁がついていて、内部の圧力は常に一定に保たれています。 ２、この容器の下の方の部屋をヒーターで温めます。空気は温められて膨張しますが、弁から余計な空気が出て行くため、内部の圧力は変わりません。 ３、この状態で上下の部屋の間の隔壁を取り払うと、暖かい空気は上に昇っていくでしょうか？ (水の場合はどうでしょう?今度は左右に仕切られた容器を用意し、片方に水、片方にお湯を入れ、仕切りをそっと取り外してみたら？） その他の回答者の皆さんも、わかりましたらよろしくお願いします。
- mii-japan
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暖かい/冷たい 軽い/重い は比較の問題です 絶対的ではありません 高校レベルのことを期待しているようなので 気体の状態方程式でお考えください 温度と体積の関係が理解できれば、すべて解決と思います
お礼
ご回答ありがとうございます。 暖かい/冷たい、軽い/重い、温度と体積の関係などについては基本的に間違った理解はしていないとは思うのですが、 どうしても理解できないのは 暖かい空気は軽いから上昇するのか、という点なのです。
重いとか軽いとか言うのは、ある程度の数の分子が、近接した空間でまとまっている場合についてのみ当てはまるのではないでしょうか。 たとえば、天気の良い日に地表近くで暖められた空気は密度が低下し、上昇して行きます。 しかしながら、地形や天候などの要因で、温められた空気と、そうでない空気の境界面が生じた場合には、その境界面付近では両者が混ざり合います。 どの程度の範囲で混ざり合うかは、その温度における分子の運動速度や分子間の衝突の頻度によって決まってくると思います。 すなわち、暖められた空気の固まりが大きい場合には、周辺部での拡散を起こしながらも、高いところまで上昇していくでしょうし、固まりが小さければあまり上昇しないうちに拡散してしまうのではないでしょうか。 例えば、夏の暑い日に入道雲が発達しやすいのも、地表付近で温かく巨大な空気の固まりが発生するからではないでしょうか。 空気が袋などに詰められていれば、外界と明確な境界線を持つので話が明快ですが、そうでない場合であっても、外部との境界が不鮮明で、外部との分子の行き来、あるいは拡散があるものの、境界面から離れていて、それらの影響を受けにくい部分においては、袋に詰められた空気と同様の議論が成り立つと思います。
お礼
なるほど、 一つ一つはランダムに動いているはずの空気分子が、なぜマクロで見るとかたまりで動いているようにふるまうのか という疑問に対する答えが、大分見えてきたように思えます。実は気象用語で使われる「気団」という言葉も、今回の疑問とのかかわりで不思議に思っていたのですが、「境界面」についてのご説明で少しわかってきたような気がします。 もう一歩ですっきりできるところまで来ました。本当にありがとうございました。
- tare-zo
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分子の集まりである気体をマクロ的にとらえて「軽いから上昇する」と説明するのは正しいのか？というのが質問の趣旨かと思いますが、 例えば暖かい液体に色をつけて冷たい液体と混ぜると、液体が塊として上昇するのが観察できます。気体でも同じですので、「軽い空気」という説明は本質的に間違っていないと思います。 一方、分子レベルのミクロな世界では、感覚的な重い、軽いというような概念が素直には通用しません。重さのある気体分子が熱運動でぴょんぴょん飛び回ってぶつかり合っている世界は、容易には想像できませんね。また、軽い気体（例えば水素）と重い気体（酸素）をよく混ぜて袋に入れたら分子の重さの差によって軽い気体だけが上に集まるかといえばそんなことはなく、普通の条件では均一に混ざったままで永久に分離しません。 他の方の回答にあるように、より詳しくは分子の熱運動から暖かい空気の密度の低さによる上昇を説明した方がより詳しいのですが、結局は「暖かい空気は軽い」という説明を経ることになると思います。
お礼
>分子の集まりである気体をマクロ的にとらえて～ そうなんです！私のまずい質問タイトルと、つたない本文から、私の質問の核心をご理解いただいて、本当にうれしいです。 色をつけた気体、液体での実験は、私も教育番組で見たことがあります。また、温度と重さとの関係が特殊な「液体の水」でも、軽いものが上へ、重いものが下へ、というふるまいをしますから、分子の運動エネルギーなど、その他の要素ではなく、マクロで見た分子「集団」の比重(=重さ）が本質的な問題であろうというのも、感覚的には理解できます。 ただ問題なのは、ランダムな動きをしている空気分子が、マクロでは「集団」としてふるまうのはなぜか？という点ではないでしょうか。 重い気体と軽い気体の問題については、私も疑問に思っていました。次の質問で「平屋の一階に寝ている人がなぜ窒息しないか」というのを出そうと思ってましたから。（「空気分子」という言葉を使ったのもそのためです） まだわからない点は多いのですが、少しすっきりしてきました。 本当にありがとうございました。
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お礼
うむ、まったく明快です。返す言葉もありません。 これなら熱気球に浮力があることを認めれば、暖かい空気のかたまりにも浮力が働くことを認めなければいけませんね。 今の感想を一言で言えば、「まいりました」ということになるでしょうか。 本当にありがとうございました。