冷たい空気は重いといいますがそれを分子レベルで説明してください。

冷たい空気（水０）は重いので熱い空気より下にいくことは当たり前だと思いますがそれを説明するのにどのテキストも”冷たい空気は熱い空気よりも密度が大きい”と説明しています。それは分かるのですが、分子一個のレベルで考えた時になぜ冷たい空気分子は熱い空気分子より下にいくのかがわかりません。冷たい空気分子は熱い空気分子よりエネルギーが小さく、動き（振動、回転など）が少ないですが、動きが少なくても熱い空気分子より下に行く事の説明にはなっていません。
どなたか、分子一個レベルでなで冷たい空気は熱い空気より下に行くのか説明してくれませんか？お願いします。

No.6 ベストアンサー 回答者： htms42 回答日時： 2008/09/13 19:22

温度は集団の平均的な性質です。

分子１つでは温度という量と考えることは出来ません。
温度の異なる空気の塊について考えると密度の違いにより上下の入れ替わりが起こる事になります。これは浮力の問題です。

分子１つで考えて遅いものは下へ、速いものは上へという運動がどうして起こると言えるのでしょうか。運動の方向を決める要素はどこにもないのです。
速い分子の集団と遅い分子の集団があったとします。速い分子と遅い分子が互いに混ざり合って、エネルギーを交換しながら均一な分布に向かって変化していくというのが分子のレベルで起こることです。逆の変化は起こりません。遅い分子は下へ、速い分子は上へ、というのはマックスウェルの悪魔の力を借りないと実現できないことだろうと思います。

風呂桶の中の水に温度差があったとします。対流が起こればそれはマクロな水の流れです。ミクロな分子運動で起こるのは「拡散」と「伝導」だけです。

No.5 回答者： sus303 回答日時： 2008/09/13 11:24

＞冷たい空気は熱い空気よりも密度が大きい”と説明しています。

それは分かるのですが

　気体の密度は気体分子の集団についての値なのですから、それを分子一個レベルで考えるのは無意味でしょう。
　どうしても気体分子の熱運動の大小を使って考えたいのなら、
冷たい気体分子の熱運動は小さいので分子間の距離が狭まって密度が大きくなり、
熱い気体分子は熱運動が激しいので分子間の距離が広がって密度が下がる、
ということでいいんじゃないですか？
　

No.4 回答者： dipearl 回答日時： 2008/09/13 11:13

分子の重さが変わるわけではありません。

温度が下がると分子間の距離が縮まるので、その「空気のかたまり」としての密度が上がるんです。

＞分子一個レベルでなで冷たい空気は熱い空気より下に行くのか
そんな現象はありません。

No.3 回答者： yasuhiga 回答日時： 2008/09/13 10:32

NO.2の方と同様ですが、

熱い空気分子は運動量が大きい。つまり、より遠く、高く運動できる

より動きが少なくい冷たい空気分子は、空気密度を維持するように、熱い分子の下に来る。

と考えては如何でしょうか。

No.2 回答者： trajaa 回答日時： 2008/09/13 10:05

発想の転換。

>冷たい空気分子は熱い空気分子よりエネルギーが小さく、動き（振動、回転など）が少ないですが
と言うことは熱い空気分子は運動量が大きい。

>動きが少なくても熱い空気分子より下に行く
運動量の大きい熱い空気分子が上へ上へと上る。すると空気の隙間が出来るので、そこに冷たい空気分子が落ち込む。

と考えては如何？

No.1 回答者： rikyuv 回答日時： 2008/09/13 09:59

重力があるからです