暖かい空気はなぜ上に昇るの？

質問

お風呂のお湯でもそうですが、暖かい空気塊は上に昇り、冷たい空気塊は下にたまる・・・という現象は、暖かい空気塊の分子は熱によりエネルギーをもらい、自分の運動エネルギーに変えて激しく運動するため、単位体積当たりの密度が下がり、いわゆる‘軽くなる’ため、上にあがるという事を学んだ記憶があるのですが、でも何で軽くなると上に昇っていくのしょうか。
分子運動のレベルで考えて、激しく運動するとだんだん上に昇っていく原理が分かりません。
どうかこの論理についてご存知の方教えて下さい。

回答No.5

hero1000 · ベストアンサー

No.1で回答した者です。横、上向きの力が働くことについてです。

水や空気などの流体は、力のバランスが取れた状態（安定な状態、つまり水平に
広がった状態）を求めて形を変えるという性質があります。
容器に水が入っている場合、水は横に広がりたくても容器に阻まれて広がれない
ため、無理矢理安定な状態にさせられています。（この間も常に横に広がろうと
しているため、容器の壁面にも圧力が働いています）

さて例えば、水を満たした容器に物を沈めてみます。この物が水中に入ったと
き、物は水を押しのけます。水は、せっかく安定していたのを乱されたため、
元に戻ろうとします。この「元に戻ろうとする力」は重力によるものではあり
ません。（「重力による水の重さ」とは関係ありますが、「重力の方向」には
関係ないのです）
水が元に戻ろうとする力というのは、その物質の全ての面に垂直に、平等に
働こうとします（パスカルの原理）。これによって沈めた物に対して、上向
き、横向きの力が働くのです。ただし、物質の上面と下面では、水深のより
深いところにある下面の方が「元に戻ろうとする力」は強く働きます。これ
が浮力です。

・・・求められた説明になってますでしょうか・・・？？

回答No.8

nozomi500

「浮力」というのは、実際は、「浮く力」でなく、まわりのものに「押し上げられる力」だというのを聞いたことがあります。

分子運動が、同じ方向ならば、ものすごいエネルギーですが、バラバラの方向で運動していれば相殺されています。
一方で冷たい空気も、同じようにバラバラに分子運動しているわけですが、同じ体積で比べれば、冷たい空気のほうが分子が多い。重い空気集団に負けて浮き上がる、という感じでしょうか。

回答No.7

inorganicchemist

重力下での話ですので、全ての分子は下向きの力を受ける。

これは問題ないですね。そこから当然、

高いところ＝不安定なところに存在するためには
その分子が十分なエネルギーをもっていなければならない。

となります。逆に言うと、

全ての分子はもっとも安定な（低い）ところに存在しようとする。

となります。しかし、実際にそうなると、

地面近くの気圧が極端に高くなり、少し上は真空に近くなります。

こうならないのはなぜか？それは、

同じ（安定な）場所に全ての分子が存在するよりも、
多少不安定な場所でも、広い場所の方が好ましい。

からです。そこで、

どの分子が高いところに上がるかというと、
十分にエネルギーをもっている分子が上がる。

その結果、重力の点からみた不安定さ（高いか低いか）
と、圧力（気圧）の点からみた不安定さが釣り合う
状態を達成しようとして、

暖かい空気は上に昇る

という結果になるのでは？

答えになってなかったら、ごめんなさいね。

回答No.6

hiro1001

これは分子運動のレベルで考える問題でしょうか。
分子が激しく運動できる空間が確保されていると言うだけのことではないですか。
その空間は当然のこととして密度が低いから、軽いというわけです。
ところで暖められて軽くなった空間というのは、まだ冷たい密度の濃い空間に囲まれていますから当然のことのように浮力が働きます。
ですから、分子運動が激しいから上に上がると言うよりは、分子運動の激しい空間が、周りの空間より軽いために空間全体に浮力が働いて上に上がっていく、そう考える方が自然ではないでしょうか。
お風呂のお湯は対流しますが、お風呂の釜を離れてまではあがっていかないでしょう。

回答No.4

nekoyama

分子運動が激しくなると、一般的に容積が増します。が、重さは替わりませんよね。という事は1単位の重さは
重さ/容積 となります。
ここからは、算数です。
分子運動が大きいものほど分数の分母が大きい。という事は軽いとなります。
で、地球の重力に対して比重の軽いものは上へ、重いものは下となります。
もし、地球の自転の遠心力が重力より大きければ、これとは逆の現象になります。
ようは、分子運動だけでなく、地球の重力も関係しています。

補足

この比重が軽いものが上に行く原理が分からないのです。分子レベルで考えるとどういう運動や力関係で上に押し上げられるのでしょう。

回答No.3

blk_2299

逆に考えるのは如何ですか？
上に昇るのではなく「比重が軽いものは他のものによって上に押し退けられるのだ」と。

特定の重力元が無ければ、話は別でしょうけど。

回答No.2

asuca

軽くなると上に上がると言うより「まわりに比べて」軽いために上に上がるという言い方の方が正しいでしょう。

回答No.1

hero1000

暖まると比重が軽くなることについては理解されているようですね。

そこまでわかっていらっしゃれば、後は簡単です。
要するに「暖かい空気（水）塊が、冷たい空気（水）塊に浮かぶ」
んです。これは水に油をたらすと油が浮かぶのと同じです。

モノが浮かぶのは浮力が働いているからですが、冷水中の温水塊を例に取ると
「温水塊の体積と同じ体積時の冷水の重さ」が浮力になります。温水塊と冷水
塊の体積が同じならば重さは冷水塊の方が重いので、温水塊が沈もうとする力
（重力）よりも温水塊を押し上げようとする力（浮力）の方が強くなり、浮かぶ
わけです。

これと同じ理屈で、暖かい空気は上に昇ることになります。

補足

その浮力は上向きに働くということは中学で上向き・下向き・横向きの圧力の関係で、横向きはお互いに相殺されるが、下向きと上向きに力の差が生まれ、下から上に押し上げる圧力が大きいため、相対的に上向きの力になって浮力が生まれるということを学びましたが、圧力はどうして上にも横にもかかるのですか？圧力の原因が重力ならば、下向きの力しか考えられないのですが・・・。