友達と話していてフト疑問に思ったのですが、暖かい空気は上昇するのに何故標高が高くなるほど気温が下がるのでしょうか? 書くまでもありませんが、
質問http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?qid=81017を読んで思い出したので投稿しました。私は一応何故暖かい空気が上昇するのかは自分なりに分かっているつもりです。

A 回答 (7件)

こんにちは。

えーとこの前本で少し読んだんですが・・・自信ないので
参考程度に・・・。

 温度について考える為の予備知識として、
暖めると冷却の二つの作用を考えて下さい。難しくは
エネルギーのやり取りです。次に温度とはナンゾや!という事
も考えて下さい。気体の温度は気体分子の速度の2乗に比例して・・
と言うと難しいので皮膚に一秒間に何回分子が当たるのか(
衝突の激しさ)とイメージしてください。一般的に低圧だと
分子密度も少ないので低温度になり、高圧だと高温になります。
これをふまえて!

 地球上の空気=大気圏内の温度についてですが、
一番最下位層つまり地上です。ここを対流層というそうです。
ほかの皆さんの回答にもあるように地表付近は太陽光によって
暖められた地表によって空気も温められます。あと気圧が一番
高いので気圧による温度上昇も考えて下さい。
あと質問に有った標高の問題ですが、暖められた空気は高い
所に上ります。が、これを冷やす項目つまり圧力の低下による
冷却を考えると、総合的に後者(冷却効果)分の方が大きいので
標高の高い山などは夏でも涼しいのです。

 蛇足〉
 もっと上空でオゾン層てご存知ですよね。ここでは
オゾンと太陽光中の紫外線との反応で結構(具体的な
数字は忘れた!)高温になってるみたいですよ。
 その上はまた冷めてその上は高温で・・・・てな具合に
何層か重なっていて気流なんかは殆どないらしい・・・・・

おしまい
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>「結局一番温かいのはどこ?」という疑問が沸いてきました。

どこなんでしょうかね。

とのことですので、

 地表または、暖流の海面付近の空気が一番、温かいと思います。

地表は温まりやすく冷めやすいので、冬や夜間は温かい場所になり得ないでしょう。特に砂漠は寒暖の差が大きいですし。

 夏の昼の都会は、室内の冷房により、外気が特に温められます。(「ヒートアイランド現象」といいますが)

 また、火災や事故などがあると局所的に温かいところができるかもしれません。

 というわけで、諸条件により、多少の違いがあるでしょうが、低気圧が発生しているところの地表または海面付近の空気が一番、温かいのではないでしょうか。
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この回答へのお礼

134さんご回答ありがとうございます。これでようやくスッキリしました。本当にありがとうございました。

お礼日時:2001/06/04 01:52

>ただ、熱エネルギーの吸収と密度の関係が今一つ素直には理解できなかったので、もしよろしければその辺りのことを詳しく知りたいと思います。



とのことですので…

 例えば、真空状態に近い宇宙は、絶対0℃に近い温度になります。
これは、熱を伝えるべき分子がきわめて少ないからです。

 密度が高い状態はちょうど、「押しくらまんじゅう」をしている状態。
互いにぶつかりあって、熱を発生させます。

 上空の気体しかなく、しかもその空気もきわめて薄いところより、地面である固体の方が温まりやすく、その付近の空気が暖められるのは、この辺りの事情によるものです。

 温まりやすさについては、理科年表などで「比熱」として、明記されていますので、見比べてみるのもいいかもしれません。
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この回答へのお礼

134さんご回答ありがとうございます。熱エネルギーの吸収と密度の関係は分かったのですが、そうなると「結局一番温かいのはどこ?」という疑問が沸いてきました。どこなんでしょうかね。

お礼日時:2001/05/31 23:49

温かい→分子の運動エネルギーが高い→大きい体積を必要とする→密度が軽くなる→上空に上昇する というメカニズムになるかと思います。



地球の中心に近いほど圧力がかかり、空気中では地表付近が、海中では深海部の方が気圧、水圧がかかり、その分密度が高くなります。

 熱エネルギーを吸収するためには、密度が高い方が効率的なので、上空のものより地表およびその付近の方が温められ、「暖かい」と感じるわけです。
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この回答へのお礼

134さんご回答ありがとうございます。簡単な言葉で細かく区切って説明してくださっているので、とても分かり易かったです。ただ、熱エネルギーの吸収と密度の関係が今一つ素直には理解できなかったので、もしよろしければその辺りのことを詳しく知りたいと思います。

お礼日時:2001/05/28 09:48

上昇気流そのものは、上に上がるに従って気圧が下がるというのは判りますよね。


早い話が膨張していると言うことです。
今常温の高圧ボンベから空気を噴出させたとします。
この空気は冷たいですよね。
気体は膨張すると温度が下がります。
ですからある温度を持って上昇した空気も、高度を上げるに従ってその温度を下げていくのです。
だから標高が高くなれば温度が下がるのです。
勿論温度が低い要因は、輻射熱の到達が少ないと言うことも原因の一つでしょう。
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この回答へのお礼

hiro1001さんご回答ありがとうございます。身近な例をとって説明してくださったおかげで、更に私の理解が深まったような気がします。それにしても、科学って凄いですね。ホンの少しではあるけれど、私も自然科学が勉強できて幸せだなぁと思いました。

お礼日時:2001/05/28 09:44

太陽光の輻射で最も暖められるのは地表面です。


空気は主に地表面からの赤外線輻射を受けて暖められて上昇します。
上昇するとしだいに気圧が低くなるので、膨張した空気はどんどん冷えていきます(断熱膨張の原理)。
ちなみに空気が冷える分の熱は赤外線として再び宇宙に返されます。

ところで盆地などの閉鎖地形では、風が弱く天気の悪い日には、上空に重い空気の層がふたをして、上空に行くほど気温が上がってしまうことがあります。
逆転層というんですが、これができると空気の対流が起きず、霧やスモッグが発生しやすくなります。
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この回答へのお礼

sesameさんご回答ありがとうございます。より詳しい解説に自然の偉大さ(大袈裟かな?)を改めて感じました。しかも、逆転層の話については初めて知ったので、とても勉強になりました。これからもよろしくお願いします。

お礼日時:2001/05/28 09:39

地球が暖かいのは、地球自身の地熱と太陽からの赤外線のおかげです。


空気に日の光が当たっても、温度は上がりません。空気の主成分である
窒素や酸素が赤外線を吸収しないからです。

日光によって暖められるのは地面だけと考えられます。
その暖まった地面が空気を暖めるので、高いところほど
気温が低いのです。

一日のうちで、地面がもっとも熱くなる時間帯(正午頃)に少し遅れて
気温がもっとも高くなる(13時頃)と言う現象からも、このことが
確認されるそうです。
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この回答へのお礼

inorganicchemistさんご回答ありがとうございます。暖かい空気は上昇するけれど、上昇するほど地面から離れるから冷たくなるということなのですね。となると、一番暖かい空気はどれくらいの高さにあるのでしょうか?

お礼日時:2001/05/28 09:34

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1.
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2.
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これは、小学3年のお子さんに断熱膨張を説明するのは、難しいかもしれませんね。
あえて説明するならば、
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 空気は高いところほど薄くなっているんだ。
 だから、風船を低いところから高いところに持っていくと、風船の中の空気も薄くならないといけないから、その分、風船が膨らむよ。
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ご質問2
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あとは、ご質問1の答えと同じになります。


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http://oshiete1.goo.ne.jp/qa4291592.html

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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・・・??

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。

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> ということでいいのでしょうか、

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ところが、実は『ウール』そのものよりもウールの間に捕らえられた『空気』の熱伝導率が低い事の方がセーターの暖かさの秘密だったりします。
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そういった事に注意しさえすれば、触ってみた感じから熱伝導率を大雑把に比べる事も出来るだろうと思います。

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> ということでいいのでしょうか、

地味に答えにくい質問です。歯切れが悪くて申し訳ありませんが「そういうケースもある」ぐらいでどうでしょうか。

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しかし実際は薄膜により熱伝導率が向上したというような話をよく聞きます。
おそらく私の考え方(計算方法)が間違っていると思います。

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ご提示された熱抵抗による計算がただしいか、コメントできません。というのは熱抵抗云々という概念が、小生の認識する限りでは、ある特定のアプリケーション分野(小生の知るのはは半導体の実装技術分野)の簡易的な手法で、3次元の熱伝導を計算するものと結果が異なるはずです。 たぶん熱抵抗云々は一次元の熱伝導しか考慮していないと思うのですが)。
ただ、10mmΦ×10mmというボリュームに1μの薄膜をコーティングしただけでは、熱伝導率は変わらないという事は間違いありません。実際に薄膜を被覆した場合の3次元の熱伝導率を計算したことがあります。通常の数値解析では薄膜部分にメッシュを切るのが極めて困難(ほしい情報は薄膜内部と直下の基材部の温度分布)なため(薄膜が基材に比べあまりにも小さいため)相当工夫をしないと計算できませんでした。ただ、少なくとも定常熱伝導の場合は薄膜による温度分布は考慮する必要がないことを確かめています。
ただし、実際にこのような基材を加熱して表面温度を測定すると、被覆の有無でその温度は有意な差がでるということは、わりとよく知られて事実で、よく被覆したことによる熱伝導率変化と間違えられる方が多数いらっしゃいます。
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熱伝導という現象はマスが重要なため10mmΦにたいし1μというマスではまず影響がでないというご質問者の回答は正しいと思います。

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今 密閉されたSPCC材(軟鋼) t=2.3 内径100mm 内側長さ100mmの円筒容器があります。この容器は外径方向(円周方向)の体積変位は変化しないように外周を厚いコンクリートで固定されています。長さ方向には膨張可能とします。容器の蓋と底は形状変化はしない(膨らまない)とします。
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公式と解を求める手立てをご教授ください。
当方は学生ではありません。一般の社会人です。

Aベストアンサー

catshoes01さんは社会人なので、学校の問題というわけではありませんね。
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【熱膨張率の影響】
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【容器内の圧力上昇】
とすれば、容器の膨張による体積変化はとりあえず無視して、ボイル・シャルルの法則を使って容器内の圧力を求めれば良いと思います。つまり空気の温度が T0 [K] のときの圧力を p0、T1 [K] のときの圧力を p1とすれば、p0/T0 = p1/T1 ですから、 p1/p0 = T1/T0 となります。T0 = 273.15 + 20 = 293.15 [K]、T1 = 273.15 + 150 = 423.15 [K] ですから、p1/p0 = T1/T0 = 1.443 となって、150℃での圧力は20℃のときの圧力の1.443倍になります(大した圧力ではないです)。圧力差 p1 - p0 を Pa 単位の圧力に換算すれば、p1 - p0 = 1.01325×10^5×( 1.443 - 1 ) = 4.489×10^4 [Pa] となります。kg/mm^2単位に変換すれば、1 Pa = 1.01972×10^(-7) kgf/mm^2 ですので[3]、容器内圧は、1.01972×10^(-7)× 1.443×1.01325×10^5 = 0.0149 kgf/mm^2 となります。

【容器の膨張】
円筒容器の側面は外周(側面)は厚いコンクリートで固定されていますので、膨張するとすれば容器の上下面(円板)です。質問では「容器の蓋と底は形状変化はしない(膨らまない)とします」とありますが、形状変化がどれくらいあるか計算してみます。圧力は均等に加わるので、上で計算した圧力差が円形板にも均等に加わります。この場合、材料力学の「平板の曲げ」の中の、「周囲を固定されている円板に等荷重が加わったときの変位と最大応力を求める」という問題になります。catshoes01さんが示されたσ=E*λ という式は棒の端面に荷重をかけたときのような1次元(軸荷重)でのものですので、横から荷重を受けるこの場合には当てはまりません。周囲を固定されている半径 a [m] 、厚さ t [m] の円板に、等荷重 p [N/m^2] が加わったときの最大変位 w [m] と最大応力 σ [N] は次式で表されます [1]。

w = p*a^4/( 64*D ) --- (1)
σ= ( 3*a^2*p )/( 4 *t^2 ) --- (2)
D = E*t^3/{ 12*(1-ν^2) }

Eは円板のヤング率 [Pa]、νは円板のポアソン比で、Dは曲げ剛性と言います。p は上で計算した圧力差そのものです。円板が最も膨張するのは円の中心で、円板に最も大きな応力が加わるのは円周です。

資料 [1] によれば、SPCCのヤング率は 203 [GPa] = 2.03×10^11 [Pa]、ポアソン比は0.28~0.3 [2] ですので間をとって 0.29 とします。また、catshoes01さんの情報から、a = 50×10^(-3) [m]、t = 2.3×10^(-3) [m] なので、式(1)から、
最大変位(たわみ) = 1.95×10^(-5) [m] = 19.5 [μm] となって全くの微小変位であることが分かります。念のために、最大応力を式(2)で計算してみると、1.59×10^7 [Pa] = 15.9 [MPa] となります。SPCCの降伏応力は、資料 [1] によれば 233 MPa ですので、SPCCが永久変形することはありません。【容器内の圧力上昇】で、容器の膨張による体積変化はとりあえず無視しましたが、容器の上下板が15,9μmしか変位しないので、この仮定は全く問題ないといえます。

[1] SPCCの降伏応力・ヤング率(PDFファイル2ページ・表1) http://www2.iri.pref.niigata.jp/IriRep.nsf/0/88fcd5ff2094c61b49256f77000dfed7/$FILE/_v227c044ne0884kggg5u110qo221nc443h88874oggd7h10rf221m44439o_.pdf
[2] SPCCのポアソン比 http://www.naoe.t.u-tokyo.ac.jp/member/tecnet/qa/qa-188.html
[3] 単位変換サイト http://www5a.biglobe.ne.jp/~uchimura/uconv/menu-j.st.html

catshoes01さんは社会人なので、学校の問題というわけではありませんね。
以下に計算方法を書きましたが、質問に対する回答は以下のようになります。
・容器の内側長さはどのくらい伸びるでしょうか → 側面の長さは 0.13 mm ~ 0.26 mm延びます。上下のフタ(円板)の中央は 15.9μm膨らみます
・容器内圧は何kg/mm^2に上がるでしょうか → 0.0149 kgf/mm^2 となります

【熱膨張率の影響】
SPCCの熱膨張率 α はWebで調べてみましたが分かりませんでした。一般的なSUS材料と同程度なら、10~20 (ppm/℃) ...続きを読む


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