大気圧を重さと表現することについて

Question

お世話になります。

非常に基礎的な質問で恐縮ですが、中学の教科書で大気圧を重さと表現
するのは、正しいのでしょうか？気体分子の衝突という説明は困難である
のは分かりますが、空気の重さによって生じる圧力が、四方八方からかか
るという説明がよくわかりません。大気圧を空気の重さと考えることも難
しいように思えます。

大気圧を空気の重さと考えてよい妥当性は、どこから出てくるのでしょう
か？

vsl2000 · Accepted Answer

＞自分の手元の中学の教科書では、大気圧と気圧は同義です。大気の重さが大気圧と考えると、等方的な圧力の説明は苦しいと思います。

おっしゃるとおり気圧とは大気圧を省略した言葉です。
　つまり気圧とは気体の圧力の一つではあるのですが、＃７の回答者さんがおっしゃるように、ごく特殊な状況での気体の圧力であって、一般的な気体の圧力を表す言葉ではありません。
　大気の重さが横や上向きにもはたらくのではなく、大気の重さによって生じた気圧（大気圧）がパスカルの原理によって四方八方に伝わるのです。

mtaka2 · Answer

質問者さんの論じている内容は、
「静止流体の圧力」に関する一般論と、
「大気圧」という、地球の大気という特殊な状況での「圧力」についての話が
混ざってしまっているかのように見えます。

流体の「圧力」は、何も力が無いところからは生まれません。
なんらかの容器に流体を封じ込めて力をかけると、その力が全体に伝播し四方八方に力がかかるようになります。力がないところに圧力は生まれません。

で、「地球の地表」という巨大な容器に収められた「空気」に対して、
空気そのものにかかる重力という力(=空気の重さ)がかかることによって
「大気圧」という圧力が生まれているのです。

重力と大気圧で方向が違うことについてですが、

なんらかの重りについて、その重りにかかる重さという力は下向きにかかりますが、
重りをてこに載せたり、重りをつけた糸を滑車にかけたりすると、
力を下向きではなく、横向きや上向きに変えることが出来ます。
ですが、その横向きや上向きに働いている力は何か、と尋ねれば、「重りの重さ」であると言えるでしょう。

大気圧が下向きではない方向にかかるのも、話としては同じです。
「重りの重さ」による力が「てこや滑車の性質」によって方向が変えられたように、
「大気圧」という力の源はあくまで「空気の重さ」であり、「空気の重さ」による力が「静止流体の圧力伝搬の性質」によって方向が変えられて、四方八方にも力がかかるようになるのです。

「空気の重さによって大気圧が生じている」「圧力は、四方八方に力が伝わる性質がある」の二つを分けて説明すれば、それほど混乱しないと思います。

titosan · Answer

地表面に平行なある面積の平面を考えます。この平面は、その上方に想定される柱状の空気層（空気がなくなって真空になるところまで伸ばします）の重さを支えているはずです。これが大気圧です。現在では上記の面積を1m^2とし、空気層の重さをN（ニュートン）という単位で測ることになっておりまして、その値をPa（パスカル）といいます。しかし大気圧が空気の重さである本質は変わりません。
なお、”四方八方からかかる”圧力がみな同じあることは簡単に証明できます。静止流体の力学を勉強するか、また質問してください。

-Ken-Ken- · Answer

重さ、と考えることで、地表と山の上、飛行機が飛ぶ高度での圧力の違いが説明できますよね。

ある方の個人的なブログですが、ここに大気圧の垂直分布の計算の仕方が書いてあります。
http://nakayamayu.blog107.fc2.com/blog-entry-1115.html
ある微小部分の上からの圧力と、下からの圧力の差があることが計算の出発点になっていますね。

上からの圧力と下から圧力に差があることは、一般に当然のことで、空気の分子に重力がかかっているからです。
重力の働いた結果が、重さとして観察されるわけですから（私はそう理解していますが）、大気圧は大気の重さであるわけです。
水みたいな圧縮しない流体だと、四則演算だけでイメージできますから納得しやすいと思うのですが、圧力によって密度が変わるとなんか直接的にイメージしにくいですね。

話を元に戻しますが、空気の分子はあらゆる方向に同じ数で運動しています。容器の壁に衝突するときは、運動量の方向が変化するだけで、大きさは変化しません。□の形の容器の中を◇という経路で運動している分子を考えてみたとき、上下左右どの壁でも、運動量（の方向）の変化は等しいですね。これが、圧力が方向に寄らない理由です。

しかし、空気の分子には重力がかかっているのですから、本当は上下方向には等加速度運動しているのです。だから、分子の運動量の上下方向の成分は、上の壁のところと、下の壁のところで違います。これが、上下方向で圧力の差があることの理由です。

大気による圧力が方向によらないというのは、手にとって見ることのできる範囲で、事実上そう考えてよいという話です。
今いる部屋の床面と天井にかかる重力の違いというのは、考えても無駄ですよね。でも、地球の中心からの距離は明らかに違うわけですから、かかっている重力は違うはずなのです。その重力の違いを積み重ねていくと上に行くほど圧力が低くなる、ということになるわけです。

いかがでしょう、ご納得できるように、説明できたでしょうか。

sanori · Answer

こんにちは。

空気の密度をρ［kg/m^3］（簡単のため一定値とする）と置けば、高さがｈメートル上がるごとに気圧はρｈずつ減っていきます。

これは、厚さがｈの掛け布団が何枚も重なっている状況において、１枚目の下に寝たときにかかる重みと、１枚目と２枚目の間にはさまって寝たときにかかる重みと、２枚目と３枚目の間にはさまって・・・（後略）というふうに重みを比較することと非常によく似ています。

つまり、重さ、重みという表現を用いて大気圧をイメージさせるということで入門編第１ステップを生徒にクリアさせることには、一定の妥当性はあると考えます。

その後に第２ステップとして、空気にしろ水にしろ、上から押されたときに、横方向にも「むにゅっ」とするということを教えればいいのではないでしょうか。

vsl2000 · Answer

逆にお尋ねします。
　水底にかかる水圧は、その上に載っている水の重さである、という表現はどう感じられますか？
　同様にして、大気の底にかかる圧力すなわち大気圧は、その上に載っている大気（空気ではありません）の重さである、と考えてはいけませんか？
　気体分子の衝突という説明は、気体の圧力の説明であって、大気圧の説明ではないのではありませんか？

debukuro · Answer

取っつきやすいように感覚的な表現をしているだけです
電流を水流にたとえるのと同じだと考えればいいでしょう
相手は中学生ですから小難しい理屈よりも直感的に理解させた方がいいと思います

Willyt · Answer

確かに気体の圧力は地球の引力による重さとは異なりますが、力であることには変わりません。そこで単位面積当たりの圧力を重力に置き換えるとどのくらいの大きさになるかは簡単に計算できます。私達は重力については感覚的に受け入れやすいですから、換算した値で気圧を表わすとその大きさを実感しやすいという利点があります。だからそうすることが多いということです。

大気圧を重さと表現することについて

＞自分の手元の中学の教科書では、大気圧と気圧は同義です。

この回答への補足

質問者さんの論じている内容は、

この回答への補足

地表面に平行なある面積の平面を考えます。

この回答への補足

重さ、と考えることで、地表と山の上、飛行機が飛ぶ高度での圧力の違いが説明できますよね。

この回答への補足

こんにちは。

この回答への補足

逆にお尋ねします。

この回答への補足

取っつきやすいように感覚的な表現をしているだけです

この回答への補足

確かに気体の圧力は地球の引力による重さとは異なりますが、力であることには変わりません。

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　逆にお尋ねします。

　確かに気体の圧力は地球の引力による重さとは異なりますが、力であることには変わりません。