押し縮められた空気はなぜ押し返す？水分子は詰まっている？

質問

小学校で、ピストンの中で空気を縮めると押し返される力が増えて、もとの位置にピストンがもどり、水の時には押すことができないことを勉強しました。
　空気分子（こんな名前があるのでしょうか）は間が空いていて、縮むことはよくわかるのですが、どうして、押しかえれるのでしょうか？
　また、水分子（？）を○でイメージするとピストンいっぱいに詰まっている状態なのでしょうか？中学で習った水分子同士が結合している図を思い出すと、すかすかなような気がするのですが、、、。
　つまらない質問かもしれませんが、小学生に教えていますので、小学生にもわかりやすいように教えていただければ幸いと思います。よろしくお願いいたします。

回答No.7

noname#104477

No.6です。ついでに気体。液体。固体のイメージを分かりやすく例えると

気体‥先ほどの例えの通り、表面がN極のパチンコ玉。
　　　お互い反発しあってくっつきません。

液体‥普通のパチンコ玉、磁力を持っていないからお互い接触しているが自由に動き回れる状態。　

固体‥表面がNとSの二種類のパチンコ玉が同数入っている状態、見た目には液体と区別がつかないがお互いが磁力でガッチリくっついている為液体のように流動性はない

以上がイメージです、小学生にも分かりやすいと思います、実際分子と分子は本当に磁力で影響しあっています。

回答No.6

noname#104477

こういう状態をイメージしてください、つまり
空気の場合
ビー玉位の大きさ、形で表面が全部Ｎ極、こんな磁石は有りませんが思考実験ですので。
これを気体分子と考えて空気抜き穴のある大型の注射器に押し込んでみます。

磁石同士は同極ですから反発してお互いは離れていますね。でもピストンを押せばその力に負けて圧縮されます、離せば当然元に戻ります、反発しているわけですから。

水の場合
磁石が磁力を失った状態を考えると理解できます。注射器の中は単なるビー玉があるだけですから圧縮できません、当然戻りません。

まとめると
空気分子は表面が全部Ｎ極の(Ｓでも同じ)磁石と同じでお互い同士は当然反発します。

水分子は単なるビー玉、初めからお互いがくっついている訳ですからこれ以上は縮みません。

小学生ならこのような説明が分かりやすいかと思います。

お礼

回答ありがとうございます。
磁力を用いて、説明するとわかりやすそうですね。

回答No.5

noname#24129

ものの形が変わること、また、ものの速さや向きが変わることでも力が働いていることが分かる。ところで、変形も動きの変化もないときには、力が働いてないといってよいだろうか。それはいえない。じっとしているときにも力は働いている。実際に実験で感じられるだろう。ピストンをなかだちとしているが、簡単に、「水を押していることが分かるのは、水に押し返されているから分かる」「空気を押していることが分かるのは、空気に押し返されているから分かる」ということが言える。（作用反作用の法則）
　そして、ピストンを押し止めているとき、ピストンを両方から押す力は、同じ大きさで反対向きであるはず。もしそうでないとしたら、なにか動きがあるだろう」（力のつりあい）
　ところで、空気の場合は、縮んでいくとき、その空気のそれぞれの大きさによって、空気がピストンを押す力は変わっている。体積が小さくなればなるほど、その力は大きい。手を離せば、シリンダの中の空気がビストンを押している力によるピストンの外への運動を止めるものはシリンダの外の空気以外ない。さて、押し縮められて、体積が小さくなったシリンダの中の空気がピストンを外へと押す力は、外の空気がピストンをシリンダの中へと押す力にくらべて、大きいのだろうか、小さいのだろうか？
　ピストンが外へと動かされることによって、それは、大きいと分かり、ちぢんだ空気は、外へと押し広がる力をもっていることが分かる。

　目に見えず、触ることもできない、実在感のない分子という微視的なものを根拠にして、力の原因を説明するのは、小学生に対してどうかと思います。分子運動論はニュートン力学の基礎の上に成り立っています。本末転倒というものでしょう。ですから、分子モデルは持ち出さずに、触覚によって、実在感の疑い得ない力という概念のみで、上述のように、巨視的な認識の定着をはかるのが先だと思うのです。

お礼

そうですよね。分子のことを考えると、難しすぎますよね。よく検討してみたいと思います。

回答No.4

noname#62864

普段はあまり気にすることもないでしょうが、ピストンの外にも空気を構成する分子（以下、気体分子と呼びます）が存在し、ピストンを外側から押しており、その圧力が１気圧になっています。
圧力というのはどういうことかと言えば、気体分子の衝突し、容器などの壁ではね返される際に、容器の壁を押す力です。
容器の外側から押す力は１気圧ですので、内側からピストンを押し返す力が１気圧よりも強ければ、ピストンは押し返されることになります。

ピストンの内部と外部の温度が同じであると仮定したときに、その内部の圧力が外部の圧力と釣り合っているということは、単位体積あたりの気体分子の数が同じであることを意味します。つまり、そうなっている場合には、ピストンの外側からの衝突の頻度と内側からの衝突の頻度が同じになるために、内方向に押す力と外方向に押す力が釣り合います。

仮に、ピストンの内部の体積を２分の１に押し縮めたとすると、内部では単位体積あたりの気体分子の数が２倍になりますので、ピストンへの衝突回数も２倍になり、外方向へ押す力も２倍になります。すなわち、その場合にはピストンは外方向へ２気圧、内方向へ１気圧の圧力で押されることになり、差し引きすると外方向へ１気圧に相当する圧力で押し返す力が働きます。

話が少し変わりますが、仮にピストン内部の気体の温度が上昇するとどうなるでしょうか。温度が上昇すると、気体の分子の運動速度は速くなります。そうなると、体積は同じでも、衝突の回数は多くなり、しかも気体分子の速度が速いために、衝突１回あたりの、ピストンを押す力も強くなります。したがって、温度が上昇すると、内部の気体分子の数に変化はなくても、内部の圧力が上昇することになります。

水などの液体であれば、分子間の隙間は、気体に比べてはるかに少ないので、圧力をかけても体積はほとんど変化しません。しかし、非常に強い圧力をかけるとわずかながら減少します。

お礼

回答ありがとうございます。
ピストンの外側からの衝突の頻度と内側からの衝突の頻度と考えると、ピストンの押し戻される力がよくわかります。さらに、体育館でのイメージを加えれば、自由に動くことの出来る壁を境にして、まっすぐ走ることを条件に２つの部屋で動いてみることでしょうかね。
気体の状態方程式を思い出せば、たしかに半分になれば倍の力になるんですよね。なるほど。
温度をあげると、速度があがって、押す力も、当たる回数も増えるというわけですよね。すごく理解できました。
水分子同士のイメージではほとんどくっついているとイメージしても構わないのでしょうか？水に別のものを加えると体積は変わらないですよね。ということは、まあまあ間があるということでしょうか？

回答No.3

pyon1956

さらに追加。液体の場合（これが水）、分子同士も引力を及ぼしあっています。実際には何人かで手をつなぎあっていたりするので（というのが液体であること）さらに複雑になりますが。それでも結局は教室の壁にぶつかります。ただしひとりひとりではなく、手をつないだ全員だったりしますが。

完全に全員が手をつなぐとこんどは自由に身動きできなくなります。これが固体。

お礼

手をつなぎことが、高校で習った分子間引力（ファンデルワールス力）とか、水素結合のことですよね？
液体では、全員ではないにしろ、手はつないでいて、身動きできないほど体育館に詰まっているのでしょうか？
固体とは違い、多少の動きがとれるということなんでしょうかね？
すみません、頭が悪くて質問ばかりになってしまいました。

回答No.2

pyon1956

#1です。訂正。水分子じゃなくて空気のなかのいろんな気体の分子、ですね。
酸素分子、窒素分子、アルゴン分子などが主な成分ですね。

回答No.1

pyon1956

すかすかですが、水分子は飛び回っています。
人間と違って直線的に動きます。（分子間の引力は気体の場合は「すかすか」なので無きに等しい）
たとえば体育館で走り回っている子供たちを想定します。ルールはともかくまっすぐ走ること。そしてぶつかったらはねかえってまた別の方向へ同じくらいまっすぐに走っていくことです。すると遅かれ早かれ体育館の壁にぶつかってしまいます。ぶつかった衝撃、これが空気の圧力です。こどもの人数を変えずに体育館を狭くするとぶつかる頻度が上って、押し返す力になるのです（ふだんは体育館の外からも子供がぶつかっているのでちからがつりあっていて体育館全体は動かないのです）

お礼

回答ありがとうございます。なるほど、まっすぐ走る子どもをイメージするとかなり分かりやすくなりました。ということは、水の場合は、見た目にはわからないぐらいの動きで体育館にぎゅうぎゅうに詰まっているということでしょうかね。そうなると、結合してることはどのように考えればよいのでしょうか？