水の潜熱の吸収・放出でなぜ水が空へ上がるか？

１．海水は太陽エネルギーや地面の熱（潜熱）を吸って軽い水蒸気となり空へ。
２．空で冷やされて潜熱を放出して水滴となります。
３．重力を受けて地上に雨となって降り注ぎます。

ふと思ったのですが、放出と吸収の潜熱が同じなら空での水滴の位置エネルギーは説明がつきません。位置エネルギーの増分はどこからの発生したのですか？

No.6 ベストアンサー 回答者： doc_sunday 回答日時： 2009/02/05 13:36

これが最後と云う事なので、早めにお答えします。

>断熱膨張では気体が水蒸気に仕事をしているのではありませんか
…というのは正確ではありません。というのは空気も水蒸気も「同時」に断熱膨張しているからです。
つまり水は仕事をしては居ません。
上空は気圧が低いので断熱膨張しその分「内部エネルギー」が減少するのです。つまり全ての気体の温度が下がります。

この回答へのお礼

これが最後と言ってしまって損をしました。もう少し指導を受けたかったのですが約束なので仕方がありません。いずれにしても大変勉強になりました。また重要ポイントをご指導頂き感謝しています。ありがとうございました。
＞つまり全ての気体の温度が下がります。
この内部エネルギーの変化（低下）の一部がプラスの位置エネルギーとバランスすると考えればよいのですね。水蒸気はたまたま上昇気流に乗ってきたので凝集して位置エネルギーを受け取るはめになったというわけですか。”同時に断熱膨張している”という言葉で自分では納得してしまいました。

重力による気圧の差がシステムの本質的な原因かもと思いました。また別の角度から質問させていただきます。別の方からのご回答があるかも知れませんので今夜１０時まで待って閉め切ります。ほんとにありがとうございました。

お礼日時：2009/02/05 18:19

No.7 回答者： chiezo2005 回答日時： 2009/02/05 19:04

#2です。

空気塊の上昇に限って言えば、
空気塊の上昇はまわりの空気塊によって押し上げられた結果ですので、まわりの空気塊が下降した位置エネルギーと考えることはできるでしょう。

ただし、単純にどの空気塊とどの空気塊がエネルギーのやりとりを
したというようなことを言えるほど単純ではないはずです。

この回答へのお礼

何度もご指導頂きありがとうございました。私も半分ぐらいわかった気がします。やはり問題の設定の仕方、質問の仕方に問題があることも理解できました。
モデル化した本質的で誤解のない問題設定を心がけます。
今後ともよろしくお願いいたします。

お礼日時：2009/02/06 00:40

No.5 回答者： doc_sunday 回答日時： 2009/02/05 08:36

一応「水」のことは忘れて、空気の循環だけ先に考えらrてほうが良いのではないでしょうか？

海水面で太陽光により暖められた水面から熱を受け取った空気が上昇し、断熱膨張で温度が下がる。
この対流に「水蒸気」は「乗っているだけ」なので、位置エネルギーはほとんど空気の対流からもらっています。
他のお答えではこのことが「明示的」に示されていません。

この回答への補足

doc_sunday先生　ご回答ありがとうございました。過去に何回もご指導いただいております。今回も鋭いご指摘ありがとうございます。硬直した頭を冷やされた感じです（笑）。

＞この対流に「水蒸気」は「乗っているだけ」なので、

この考え方は私も理解できます。とすると水がないほうが対流が多少なりとも激しくなるということでしょうか。つまり”顕熱で上空へ運ばれる熱量の絶対量が大きくなる。”ということでしょうか。単に水が存在することによって潜熱による熱輸送と顕熱による熱輸送の割合の問題でエネルギーの収支関係なんて大したことではないと、どうしても考えるなら対流の運動エネルギーが水の位置エネルギーに変換されている。そう言われているように読み取りました。

それなら私の質問の核心はエネルギー変換のメカニズムにあります。断熱膨張では気体が水蒸気に仕事をしているのではありませんか。つまり正のエネルギーを大気はもらっているから水に位置エネルギーを与えるのは変ではありませんか。

ここのところを明確にお答えいただけないでしょうか。それで私の質問は閉め切りたいと思います。よろしくお願いします。

補足日時：2009/02/05 11:26

No.4 回答者： chiezo2005 回答日時： 2009/02/04 23:07

＃２です。

＞この部分を定量化できないでしょうか。
ちょっと勘違いしているように思います。
もちろんエネルギーの保存則は全体としては成り立っているはずです。
（太陽エネルギーによる増加があるのでその分は宇宙へ散逸していることになりますが・・・）

したがって，空に上って雨となって降りてくる水蒸気だけ見た場合にはエネルギー保存則は成り立ちません。
軽い水蒸気は確かに上昇しますが，これは摩擦のある空気中での
上昇ですので，上昇中に摩擦を通して周りの空気にエネルギーを
与えてしまいます。
雨は落下しますが，真空中の落下ではないためにすぐに終末速度に
達してしまいあとは等速で落下します（つまり位置エネルギーは水滴の
運動エネルギーにならずに回りの空気に与えられます。）。

つまり水の大気循環は水だけみたエネルギー保存則から説明するのは難しいと思います。
水を含む大気塊の運動のような捉え方をするとある程度は説明が可能ですが，たぶん想定されているイメージとは違うと思います。

気象学をすこし勉強するとよいと思います。

この回答への補足

ご回答感謝いたします。私は気象学を何もわかってない立場で恥ずかしながら質問しています。気象学の本を開いてみたのですがとても難しくて時間がかかりそうです。それに私は気象学そのものに大した興味があるわけではありません。物理現象としてわかりやすいモデル化ができないものかと思いご専門の方々に質問させていただきました。御手数を煩わせて申し訳ありません。

＞これは摩擦のある空気中での
上昇ですので，上昇中に摩擦を通して周りの空気にエネルギーを
与えてしまいます。
このことはよく理解できます。水中で水より軽いものを離した場合と
同じですから。摩擦によるエネルギー散逸が深い水中にある軽い物質の位置エネルギーを減らすのと同じであることは理解しているつもりです。位置エネルギーは摩擦エネルギーと運動エネルギーに変換され勢いよく水面に飛び上がってきます。気体ではこれらの現象に対応するエネルギーは大気に対して膨張や熱交換などを通じてエネルギーを与えているのでしょうね。

＞雨は落下しますが，真空中の落下ではないためにすぐに終末速度に
達してしまいあとは等速で落下します（つまり位置エネルギーは水滴の
運動エネルギーにならずに回りの空気に与えられます。）。

このことは良く理解できました。私の疑問はこの部分は含んでおりません。＃１の方にも申し上げたとうり上向きの一方通行で話を止めたいのです。落ち方は雹になったり雪になったり様々ありすぎて・・・

保存則が成り立っていることは簡単のため上昇したところまでのご回答で十分かと思っています。

＞つまり水の大気循環は水だけみたエネルギー保存則から説明するのは難しいと思います。水を含む大気塊の運動のような捉え方をするとある程度は説明が可能ですが

このことをご専門の立場でご説明いただければ大変ありがたく思います。是非よろしくお願いいたします。物理的な理解が目的なので実際にあり得ない仮定をいくつか設定していただいて問題ないと思っています。冷えるところの簡単なモデル化が私にはとても難しそうに思えます。なにとぞよろしくお願いいたします。

補足日時：2009/02/05 01:12

No.3 回答者： saru1234 回答日時： 2009/02/04 22:12

No.1 です。

書き間違えてました、すみません。
誤 >２．で位置エネルギーは元通り、増分はありません。

元通りになるのは３．で、です。
上昇した水分が地上に戻れば、地上の物質の位置エネルギーは全て元通りなので、
そういう意味です。

ご質問では「水が上昇した」時点の、いわば片道の状態ですね。



> 放出と吸収の潜熱が同じなら

潜熱と位置エネルギー量は関係ないと思います。
なぜなら、水と水蒸気の大きな状態変化を伴わなくても、
周囲の空気と混じらない気体(存在すれば、ですが)でも
同様の現象になるからです。

こういうことだと思います。

1.水分が地表で熱エネルギーを得る。
2.膨張する
膨張することで周囲の空気を上空に押し上げます。
つまり「周囲の空気に位置エネルギーを与え」ます。
3.周囲の空気は重力により下がろうととします。
膨張した水分は、比重が周囲の空気と同じならそのままですが、
軽いために空気によって上昇させられます。

水分だけ着目すれば位置エネルギーを得た事になりますが、
それは潜熱を仲介して得たのでなく、
で加熱され膨張した事によって間接的に得たものと思います。

潜熱は地上で水に吸収され、上空で放出されてますますが、
その事によって地上から上空に運ばれただけであり、
水が位置エネルギーを得る事とは、たまたま並行して起きているだけの関係しかないと思います。

> 放出と吸収の潜熱が同じなら空での水滴の位置エネルギーは説明がつきません。

位置エネルギーは、潜熱というエネルギー？が変形して得たのでなく、関係ないと思います。

> 位置エネルギーの増分はどこからの発生したのですか？

地表で加熱され膨張し、周囲の空気を「押し上げた」事によって
間接的に得た、ということが言えると思います。

この回答への補足

大変丁寧なご説明を感謝いたします。まさに片道でのお話です。
＞潜熱と位置エネルギー量は関係ないと思います。
なぜなら、水と水蒸気の大きな状態変化を伴わなくても、
周囲の空気と混じらない気体(存在すれば、ですが)でも
同様の現象になるからです。

このモデルを使ったご説明は私にも良く理解できます。たとえば極端に伸縮性に優れた弾性定数の小さい熱伝導性に優れた風船に水蒸気を入れたシステムで考えることも可能かと思います。膨張しながら風船は上昇するでしょう。上空で急に冷えると風船はどこまでも小さくなり液体水をくるんだ液船になると思います。

このとき重力の位置エネルギーを得ることができます。そして大気に潜熱を放出することになると思います。放出潜熱は入力潜熱と同じとすると差し引き同じで大気に対してした仕事、またはされた仕事の収支の差が位置エネルギーと等しくなるのでしょうか？　saru1234さんの言われる”周囲の空気を「押し上げた」事”がこのことに当たるのでしょうか？

言い換えれば水蒸気風船を作るためには潜熱に加えて空気に対して仕事をさせる分のエネルギーを余分に与えなければならないということでしょうか。上空ではこの逆のことを考えることになります。つまり凝縮のとき大気から押されて仕事をもらうことになります。地表で余分に与えた熱量と上空で風船が大気から受けた仕事量を比べると前者が大きくその差が位置エネルギーであるという説明で良いのでしょうか。

もし正しければどうやって定量的に証明すればよいのでしょうか。簡単な式では無理でしょうか？再度のアドバイスをお願いできれば幸せです。

補足日時：2009/02/05 00:36

No.2 回答者： chiezo2005 回答日時： 2009/02/04 21:10

すべてのエネルギーの源泉は太陽エネルギーです。

また，水分子が上昇するときに確かに分子の位置エネルギーは増加しますが，その増加した分のエネルギーは周りの空気からもらったと
考えるべきです。
つまり水分子だけの閉じた系では扱えないと思います。

周りの空気はどこからエネルギーをもらったかというと
最後は太陽エネルギー（地熱なども多少ありますが・・・）です。

この回答への補足

ありがとうございました。少しすっきりしました。
＞その増加した分のエネルギーは周りの空気からもらったと
考えるべきです。
この部分を定量化できないでしょうか。エネルギー保存則なので
きっと厳密で簡単な式になると勝手に想像していますが基礎知識がないので手がつけられません。証明問題として解きたいのですがご指南のほどお願いいたします。

補足日時：2009/02/04 21:33

No.1 回答者： saru1234 回答日時： 2009/02/04 20:42

> 位置エネルギーの増分はどこからの発生したのですか？

２．で位置エネルギーは元通り、増分はありません。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。謎かけ問答のようですが。私は地上にある水が空へ昇って位置エネルギーが増えたと申し上げています。
元どうりとはどういう意味かわかりません。スミマセンがもう一度
お答え願いませんか。

補足日時：2009/02/04 21:03