なぜ空気は膨張すると温度が下がるのでしょうか？

気体は、熱を与えたりせずに膨張させると、温度が下がるという性質があると、本で読んだのですが、

これはなぜでしょうか？

No.1 回答者： oo14 回答日時： 2017/02/11 11:37

仕事をしたから

No.2 回答者： yuji3690 回答日時： 2017/02/11 11:42

熱をエネルギーの密度だと思えば分かり易いのでは？

総量が変化しないのに体積だけ増えれば密度が下がりますね。

No.3 回答者： t_fumiaki 回答日時： 2017/02/11 12:37

空気だけで無く、気体全般に言える。

ジュール・トムソン効果と言って、断熱膨張(熱の出入りが無い、少ない膨張)で温度が下がり、断熱圧縮で温度が上がる。

このお陰で、エアコンや冷蔵庫が機能する。

ジュール・トムソン効果とは、エネルギー保存の法則から来ている。

エネルギーは形を変えるが、前後でのエネルギーの和は一定に保たれている。

ここから核心に入る。

気体も分子から出来ていて、普通の状態の時は分子と分子の距離は大きくて離れている。
この状態では、分子全体の位置エネルギーが大きい。

例えば、1cmの高さからコップ落としても割れないが、10mの高さから落とすと割れる。
コップと地球の距離が大きい程大きなエネルギーをコップが持つ事になるから、10mだと割れる。

この空気を圧縮すると、分子と分子の距離が近くなる。
つまり全体の位置エネルギーが小さくなる。

エネルギー保存の法則により、小さくなった分、別のエネルギーが大きくならないと一定に保存されない。

別のエネルギーとは分子の運動エネルギー。
振動が激しくなってエネルギーが大きくなる。

位置エネルギー+運動エネルギーは一定だと言う事。

分子の運動エネルギーは温度として観測され、「温度が高い」とは運動エネルギーが大きいと言う事と同じ。

だから、圧縮すると位置エネルギーが減った分、運動エネルギーが増えて温度が高くなる。

エアコンの冷房では、室内機で気体を拡散させ、室外機で圧縮している。

暖房はこの逆で、室内機で圧縮して、室外機で拡散させている。

No.4 回答者： yhr2 回答日時： 2017/02/11 15:39

まず「温度とは何か」ということですね。

気体の場合には、ちょっと厳密さには目をつぶって「気体分子の運動エネルギーの合計値」といってよいかと思います。

同じ「閉じた空間」であれば、気体分子の数は一定です。それが「膨張」して体積が増えると「単位体積あたりの気体分子数」が減って「圧力が下がる」ことになります。
すると、気体分子数が減るので単位体積あたりの「気体分子の運動エネルギー」の合計値も下がります。ということで温度が下がるのです。（温度が下がるとは、上に書いたように「気体分子の運動エネルギー」が少ない状態ですから）

No.5 回答者： チェリ01 回答日時： 2017/02/18 01:49

ちょっと誤解もあるようですが、体積が単に倍に増えても圧力が半分に成る(ボイルの法則)だけなので温度は変化しません。

PVと1/2P x 2Vは両方=nRT 一定値
気体分子の運動エネルギーも変わりません。
ただし容器が大きくなるので、単位時間当たりに壁面に衝突する回数が減り、圧力は下がります。

温度が低下するのは仕事をしたため、もしくは理想気体以外の大抵の期待では(∂T/∂V)Uが0に成らない為、などの別の理由があると思います。