温度分布の異なる流体の挙動

質問

流体（たとえば水や空気）を熱すると温度の高いものはうえに上昇するのは日常よくみかけることですが
その理由を考えると自分では答えがでませんでした。
友人に聞いてみると熱せられた流体は分子の運動が激しくなり密度が低くなるから上に上昇するのだと答えてくれましたが
気体の場合は液体のような分子間力がないために個々の粒子について考えてみると
温度の高い低いに関係なく同じ大きさの重力が働くだろうから上に上昇する説明ができないような気がします。
たぶん空気のような密な気体を個々で考えるのは間違っているのでしょうけど
集団としてかんがえるとどうなるのかがわかりません。
なぜ温度の高い流体が上に集まるのかを教えてください。

また、無重力環境下ではどうなるのでしょうか？
上述のような分布の偏りは起こるのでしょうか（対流と関係あるような気はしてるですが）

基本的な質問で申し訳ありませんがよろしくお願いいたします。

回答No.1

siegmund · ベストアンサー

何も起きていない流体(水にしますか)の一部を切り取ってきてみましょう．

　　　　　　圧力小
　　　↓　↓　↓　↓　↓
　　┌─────────┐
　　│　　　　　　　　　│
　　│　　　　　　　　　│
　　│　　　　　　　　　│
　　│　　　　　　　　　│
　　└─────────┘
　　　↑↑↑↑↑↑↑↑↑　　
　　　　　　圧力大

になっています．
で，四角の部分がどうして上に昇って行かないかというと，
圧力の差の部分による上向きの力と，重力の下向きの力が釣りあっているからです．
むしろ，釣り合うように圧力の様子が決まると言った方が正確かも知れません．
この四角の部分が泡になると，当然重力の力が弱くなりますから，
圧力差部分の上向きの力が勝ち，泡が上へ昇っていくわけです(四角い泡はないけれど)．

さて，四角の部分が温度が高いと，普通は密度が小さくなります．
熱すれば膨張するわけですから，同じ質量のもので体積が増えれば，
当然密度は小さくなりますね．
そうすると，四角の部分が周囲と同じ温度であったときに比べて，
重力効果が弱くなりますから，四角部分が上に昇って行きます．

結局，泡が上へ昇るのと同様の理由です．

> 無重力環境下ではどうなるのでしょうか？
昇って行った部分が空になることはできないので，
周囲から流体が押し寄せることによって生まれます．
これが対流です．
無重力環境下では重力効果がありませんから，
上下(だいたい，上下がないか)の場所による圧力差がありません．
したがって，対流は起きず，仮にたばこを吸えば煙は周囲に同心球状に広がって
行くだけでしょう．
これは対流効果でなくて，拡散の効果です．

スペースシャトルでその類の実験があったような気がしますが，
よく覚えていません．
スペースシャトルは当然禁煙でしょうけれど(^^)．

お礼

図まで書いてくださって丁寧な解答ありがとうございます。
いままでは個々の粒子についての重力作用について考えていたので
混乱していたのですが
圧力というのはその個々の粒子の作用を
面積分した値であるということを見失っていたようです。
胸のつっかえがとれました。
ありがとうございました。