気体の重さについて

質問

高校生並みの質問が二つ続きますがどうかお力添えをお願いします。

I：日常の生活空間において、気体の質量を量ろうとすればそれは、大気の浮力が働いた分本来より小さくなると考えられますが、本当にこのような解釈は正しいのでしょうか？

（ちなみに家で出来る実験として、空気をごみ袋に溜めて質量を量りましたが、上皿天秤の針はごみ袋の重さ分しかありませんでした。）

II：そもそも、空気には窒素、二酸化炭素、酸素、and so on・・・といくつもの成分が含まれていますが、言わずもがな、いずれも分子量（或いは原子量）がちがいます。

ヘリウムガスの入った風船は子供の手から飛んでいきますし、下水道工事では二酸化炭素が地下に充満します。

しかしなぜ、私達の周りには「混合気体」が分離せず存在するのでしょうか。空気の見かけの分子量なるものまで存在する程です。対流も考えましたが納得いきませんし、ここはやはりエントロピー云々ということでよいのでしょうか？

回答No.1

Tacosan · ベストアンサー

I については, 実際に真空の中で重さを測ればわかるはずです. もちろん本当に「空気をゴミ袋に入れて測る」なんてことをしたらゴミ袋が破裂するかもしれませんが.

II は「高校生並み」どころか, 大学生にも十分出せるんじゃないかな. 基本的には「エントロピー的には混ざった方が有利」と「重力があるので分離した方が有利」とのせめぎあいで, 地球の重力程度では窒素と酸素が分離できないということではないかな. 逆に言えば重力が強ければ分離できるということでもあり, 遠心分離機によるウラン濃縮で実用化されています (分子量が 3 しか違わない [235]UF6 と [238]UF6 をそれなりに分離できる).

お礼

IIがとても分かりやすかったです。

分離できる、出来ないはなるほどそういうことかとと納得させていただきました。

ウランの場合おそらく高温化で液化して分離させるのでしょうけれど、それより自由度の高い気体が分離するのは大変なことですね。

どうもありがとうございました。

回答No.4

tetsumyi

通常の気温で空気中の気体分子は数kｍ/s程度のすごいスピードで飛び回ってぶつかり合っています。
これは、それぞれの気体がガンガンかき回されている状態で分離はしません。
これを統計物理学ではエントロピーが高い状態と言います。
http://www.h5.dion.ne.jp/~terun/doc/entoro.html
しかし、かなり密度が高くぶつかり合うためにガスが出ている状態では混ざり合うためにはかなり時間が掛かります。
それで、二酸化炭素やプロパンガスが漏れていると、重さで低い位置に溜まってガス中毒を起こしたり、爆発します。

また、分子レベルの重さであることも重力の影響をあまり受けない理由となります。
小さいチリほど空気中で舞い上がると中々落ちてきません。
中国の黄砂は日本まで飛んで来ますが、福島原発事故の放射性物質は分子レベルの気体となって地球を何周も回って来たことが観測されています。

お礼

おもしろいサイトですね。

なるほど、たしかに重力は気体状態の分子レベルで見れば些細なものであるというのは理解しやすい説明でした。

放射性物質そんなに飛散するんですか。それは知りませんでした。

どうもありがとうございました。

迷いましたがNo.1さんをベストアンサーとさしていただきます。

回答No.3

fba

…昔絵本で読んだんだけどな。

I.天秤を使って同質量・同容積・同形状の気体の入った容器と真空にした容器の質量を比較すれば、空気中であっても浮力の影響をキャンセルできます。ばね秤なら同じ容器を気体の入った状態と真空にした状態にして測れば、天秤ほどの精度は出ないでしょうがそれなりに測れるかと。当然ですが中を真空にして同形状を保てる容器でなければならないので、それなりの圧力容器を使わなければなりませんが。

II.エントロピーというか、もう少し絞った形でいうと拡散の問題でしょう、多分。

お礼

真空容器もまた真空の度合いにもよりますから、一般人レベルでは気体の重さは理論値で考えるしかなさそうですね。
いつか真空の容器を手に入れたら試してみます。ありがとうございました。

回答No.2

Tann3

１．確かに、空気の存在下での「気体の重さ」というのは実感が湧きませんよね。

　計算してみると、空気１m3（１立方メートル）の質量が約１kgということになり、ピンとこないですよね。
　二酸化炭素はその約２倍、１m3（１立方メートル）の質量が約２kgということです。CO2排出量で何トンという単位が出てくるのは、そのせいです。

　ご質問のとおり、当然、空気中でモノの重さをはかるとき、空気の浮力は無視できないと思います。

　熱気球では、熱した空気（膨張して外気の空気よりも軽くなっているが、当然質量はある）と外気の空気との比重差で、あの程度の大きさで人間１～２人と燃料ボンベを乗せて浮き上がる浮力を持つのですから。

　また、金のような比重の大きなモノの取引をするとき、水（あるいはもっと軽い油など）の重りを使った天秤で、買い取るときには二酸化炭素のタンクの中で、売るときには真空タンクの中で重さを測れば、めかたをごまかすこともできるわけです。

２．これはなかなか理解や説明が難しいですが、通常の温度での気体分子の運動エネルギーが、分子量の差による自重落下よりも圧倒的に優位である、ということなのでしょう。絶対零度に近くまで温度が下がって行くと、そういう分離が見られるようになってくるのでしょうか。私も、上手く説明ができません。
　まあ、水に食塩を溶かして十分かき回して均一にした後、長時間放置しても下に濃い塩水、上に純粋な水という風に分離しない、という常識と似たようなものなのでしょう。

　これについては、他の回答者さんが分かりやすく説明してくれることを期待しましょう。

お礼

金の例は面白かったです。

同様に食塩もまた、（もちろん水和した粒子と気体状態の粒子では話はちがうにしても）想像しやすかったですし。

自由落下による運動への寄与が少ないことを納得できました。

身近な例は理解にとても役にたちました。ありがとうございます