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。

このQ&Aに関連する最新のQ&A

A 回答 (8件)

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・・・??
    • good
    • 5

「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。
    • good
    • 0

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。
    • good
    • 2

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。
    • good
    • 1

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。

この回答への補足

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。

補足日時:2001/05/25 14:47
    • good
    • 0

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。
    • good
    • 0

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。

    • good
    • 1

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。

この回答への補足

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・・・。

補足日時:2001/05/25 14:56
    • good
    • 0

このQ&Aに関連する人気のQ&A

お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう!

このQ&Aを見た人はこんなQ&Aも見ています

このQ&Aを見た人が検索しているワード

このQ&Aと関連する良く見られている質問

Q暖かい空気は本当に「軽い」のか?

暖かい空気はなぜ上に昇るのでしょうか?

初心者向け解説書などでは
「暖かい空気は、冷たい空気より軽いため」などと説明されています。

確かに、暖かい空気=空気分子の平均的な運動エネルギーが冷たい空気より大きい=空気の分子同士がはじきあう(?)力が大きいため、空気を押し縮める力(主に重力)に対して、押し広げようとする力が大きくなる=空気の密度が小さくなる=冷たい空気よりも体積あたりの重さ(=比重)が小さくなる=「軽い」という見方もできるかもしれません。

しかし、空気の分子は、一つ一つがランダムに動いており、(分子間力の影響は多少受けているとはいえ)熱気球のように強制的に膜などで仕切られ、まとめられているわけではないのですから、
空気を集団として考え、比重をもって「重さ」を論じることに果たして意味があるのでしょうか?

あくまで空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さなのではないでしょうか?(ここでは議論を簡単にするために、「空気分子」という単一の重さの分子を想定します)

果たして、「暖かい空気は『軽い』ので上昇する」という説明は、本質的に正しい説明なのでしょうか、それともそれはあくまでも初心者や子どもがわかるための「方便」で、実際にはもっと別な理由があるのでしょうか?

以上、気体の対流について述べましたが、液体の場合も基本的に同じではないかと思います。
ただ、水の対流などを考えると、確かに比重の違いが上昇、下降の運動の変化と一致しているので、重い、軽いという説明に一定の根拠があるのかなとは思っています。

以上、どなたかご教授ください。
できれば高校の物理、化学レベルで説明していただけるとうれしいのですが、もう少し専門的な説明でも頑張って勉強しようと思いますので、よろしくお願いします。

暖かい空気はなぜ上に昇るのでしょうか?

初心者向け解説書などでは
「暖かい空気は、冷たい空気より軽いため」などと説明されています。

確かに、暖かい空気=空気分子の平均的な運動エネルギーが冷たい空気より大きい=空気の分子同士がはじきあう(?)力が大きいため、空気を押し縮める力(主に重力)に対して、押し広げようとする力が大きくなる=空気の密度が小さくなる=冷たい空気よりも体積あたりの重さ(=比重)が小さくなる=「軽い」という見方もできるかもしれません。

しかし、空気の分子は、一...続きを読む

Aベストアンサー

確かに、空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さです。
空気では、集団としての空気を考え、その比重をもって振舞いを論じます(論じることができます)。

このことを理解するために、次の思考実験するといいです。

ここに、大気中に周りより暖かい空気の塊があるとします。これが対象1です。
その暖かい空気の塊を風船のように何かの膜で囲ってあるとします。これが対象2です。
勿論、膜の材質の重さはないとします。
対象2が、比重をもって振舞いを論じることができるのは分かると思います。

対象1と対象2で、塊の内部の状態は同じです。(少なくとも短時間なら)
異なるのは、囲いのあたり、塊の周辺で外との境辺りです。

違いの具体的なことは、端的には、対象1では暖塊の内部から分子が出て行き、外から別の分子が入って来ることです。
しかし、次のようにも考えられます。
即ち、出て行こうとした分子が外部の分子と衝突して引き返して来た。外部の分子は内部分子に跳ね返されて外部に戻って行った。
そう考えれば、あたかも分子の行き来をさえぎる膜があるのと同じです。
ですから、境あたりでも、対象1は対象2と、分子の互いの運動の影響の仕方などが、同じです。

結局全体として、対象1と対象2は同じ、等価と言えます。

確かに、空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さです。
空気では、集団としての空気を考え、その比重をもって振舞いを論じます(論じることができます)。

このことを理解するために、次の思考実験するといいです。

ここに、大気中に周りより暖かい空気の塊があるとします。これが対象1です。
その暖かい空気の塊を風船のように何かの膜で囲ってあるとします。これが対象2です。
勿論、膜の材質の重さはないとします。
対象2が、比重をもって振舞いを論じることが...続きを読む

Q熱と分子運動とエネルギー

以下の項目の関係を教えてください。ある系にエネルギーを加えた時
・その系(気体)の温度が上がる
・その系の分子が激しく運動する
・その系のエネルギーが上昇する

わかりにくい質問ですいません

Aベストアンサー

> 単原子を振るとどうなるかが知りたいです

単に運動エネルギーが増すだけのことです.つまり温度が上がる.
単原子分子には並進以外の運動はありえません.
分子に紐をつけることができないのですから,分子が全体として空間内を振動運動することはありえません.壁に当たって跳ね返ることはありますが,通常はそれ以上に他の分子と衝突する頻度が高いので,容器の中を振動しているように見えること自体があまりに特殊な状況です.
# そうであっても中心力が働いているわけではないので,結論は同じなのですが.

> 外力で振動させる→運動Eはあがる=熱Eも上がる=温度が高い
> これはおかしいでしょう?

おかしくないです.実際,温度は上がりますから.


温度というのは,たとえば気体についてはたくさんの分子がぶつかり合いながら運動エネルギーをやりとりし,結果としてある分布状態(Maxwell-Boltzmann の関数で記述できる)に落ち着いたときにはじめて定義できるのです.非常に特殊な場合を除けば,この分布状態にない場合の温度は定義できません.というのは温度が変化している途中ということで,一定の温度の意味をなさない,ということになるからです.

単一分子の温度,ということですが,こういうことを考えてみてください.
ある分子がある方向に運動しています.周囲にいる分子も同じ方向に同じ速度ですべて動いています.この場合,この「分子集団」の温度は何度と考えればいいでしょうか? この場合,すべての分子は同じ運動をしていますから,全体でもひとつでも同じとみていいですよね?


















答は 0K です.
絶対座標というのは存在しませんから,この場合はこの分子集団そのものが独立の慣性座標系にあると考えれば,すべての分子が静止しているのと同じことになるからです.
# 却って混乱させてしまったかも (^^;;

> 単原子を振るとどうなるかが知りたいです

単に運動エネルギーが増すだけのことです.つまり温度が上がる.
単原子分子には並進以外の運動はありえません.
分子に紐をつけることができないのですから,分子が全体として空間内を振動運動することはありえません.壁に当たって跳ね返ることはありますが,通常はそれ以上に他の分子と衝突する頻度が高いので,容器の中を振動しているように見えること自体があまりに特殊な状況です.
# そうであっても中心力が働いているわけではないので,結論は同じなので...続きを読む

Q分子間力と沸点、融点 先日、分子結晶は分子間力のおかげで結晶状態を保てるのですよね。 しかしどうし

分子間力と沸点、融点

先日、分子結晶は分子間力のおかげで結晶状態を保てるのですよね。
しかしどうして熱を加えることによって分子間力がなくなるのでしょうか?

Aベストアンサー

>ではどうしてふりきれるようになるのでしょうか

ひょっとして温度が上がると分子の運動(振動)が
激しくなるというあたりを知らない ということなんでしょうか?

ロケットが地球の重力を振り切るには充分な速度が有ればよい。
それと同じです。

Q熱力学:気体の比熱の分子運動論的記述について

 気体の比熱は1Kあたりの内部エネルギーの変化 (3/2)R=分子の運動エネルギー
N m(v2)av /2(N:アボガドロ数、m:分子の質量、v:分子の自乗平均速度)と捉えることができ、例えばx方向の並進運動のみ(1自由度)に注目するとその1/3なので、結局比熱は1自由度あたりR/2(Rは一般ガス定数)と表されます。2原子分子について並進運動の次に特性温度を超えると量子効果により回転の自由度が2つ追加され(比熱は5R/2)、さらに次の特性温度を超えると振動の自由度がさらに2つ追加され比熱は7R/2となります。
 さて、教えていただきたい点ですが、例えば回転の自由度ひとつあたりの1Kあたり内部エネルギー変化(比熱変化)についても並進運動の1自由度あたりの運動エネルギー変化(= N m(v2)av/2)と等しいのはなぜでしょうか。さらに振動についても。事実としてはそれでいいのですが、理論的な解釈を易しく解説して下さい。よろしくお願い致します。

Aベストアンサー

>「エネルギー等分配則」というのは並進運動と回転運動を含めた等分配ということですね
はい。
#1に少しだけ書いたように適用条件はありますが、古典的な系であればほとんどの場合に成り立つと考えて問題ありません。並進・回転に限らず振動でも、任意のポテンシャル中でも。

Q圧縮空気が持つエネルギー

どうしてもエネルギー源が「圧縮空気」だけと言う環境で、長期作業をすることになりました。

そこでたとえば、室温で1m^3、5気圧(約0.5Mpa)の圧縮空気が持つエネルギーはどれくらいになるものなのか。
及び計算の仕方を教えていただきたい。

たとえば電気に変換するにしても、数%の効率だと考えれば、どれくらいの圧縮空気を準備する必要があるのかの見積りができますので。

厳密なところまでは必要ないと思いますので、ザックリでも簡単に計算できる公式や方法などありましたら、教えていただきたいと願っています。

よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

何を使うかによって大きく異なりますね。例えば手持ちのエアーツールのようなものなのか、それともエアーを動力とした機械の類なのかです。エアーを使うと言ってもエアタービンのように多量のエアを必用とする物と、エアシリンダのようにそれほど多くのエアを必用としないものがあり、消費量は大きく違います。

使用するものが決まっているのであれば(と言うかこれが不明では全く判りませんが)、その機器のエアの消費量(機器のメーカーのサイトに行けば使用圧力や消費量が必ず出てますよ)を調べて、そこから計算すれば良いでしょう。

単純な計算でWに換算すると、1気圧で1cm^3の空気の持つエネルギーは0.1013Jですから1m^3で5気圧の場合、周囲の気圧の1気圧を差し引いて計算すると506625Jとなるので、W/hに換算(3600で割ればよい)すると140W/hと言うところですね。ただし、実際に使用るとなると、圧力が一定以下に下がれば利用できない状態になるので、利用可能な圧力ともとの圧力の差で計算しなくては無意味ですし、先に述べたように使用する機器のよって消費量が一桁程度変ることはいくらでもあるので、使用機器がわからなくてはどの程度必要かは全く判りません。

何を使うかによって大きく異なりますね。例えば手持ちのエアーツールのようなものなのか、それともエアーを動力とした機械の類なのかです。エアーを使うと言ってもエアタービンのように多量のエアを必用とする物と、エアシリンダのようにそれほど多くのエアを必用としないものがあり、消費量は大きく違います。

使用するものが決まっているのであれば(と言うかこれが不明では全く判りませんが)、その機器のエアの消費量(機器のメーカーのサイトに行けば使用圧力や消費量が必ず出てますよ)を調べて、そこから...続きを読む


このQ&Aを見た人がよく見るQ&A

人気Q&Aランキング

おすすめ情報