なぜ高温と低温の気体は混ざりにくい

質問

容器にある気体を入れて上半分を高温に下半分を低温にします。高温と低温の気体のその境では高速の分子と低速の分子がぶつかり合い2つの分子は入れ替わるように速度が逆になり来た方へ戻っていきます。そして次の分子へと連鎖的にどんどん伝わっていきます。高温の気体の方に低速の分子が伝わる速さは低速の分子の速さとほぼ一緒で、低温の気体の方に高速の分子が伝わる速さは高速の分子の速さとほぼ一緒だと思います。
よく分かりませんが、運動エネルギーつまり温度が伝わる速さは分子の速度なみで瞬間的に混ざってしまうのではと考えてしまいます。これは高温と低温の気体は混ざりにくいのに反しています。この考え方のどこがおかしいんでしょうか？

回答No.3

inara1 · ベストアンサー

気体の巨視的な運動は、気圧差と温度（対流）と拡散が主な駆動力になります。このうち最後の拡散だけで混合が起こると仮定しても、空気はそれほど速く混ざりあいません。気体分子が互いに衝突しながら高速で運動するとして計算される拡散定数は D = 10^(-5) [m^2/s] のオーダになります。拡散係数に経過時間 t [sec] をかけて平方根をとったのが移動距離（広がり幅）になります。1秒間で 3mm 程度ですが、移動距離は時間に比例するのでなく時間のルート（平方根）に比例するので、長い時間が経過しても思ったほど広がりません。1時間で 19cm、1日で 93cm、1ヶ月で 5.1m、1年で 17.8m にしかなりません。

ここ（http://www1.doshisha.ac.jp/~kibuki/diffusion/diff.pdf）の7ページ以降の気体分子運動論にあるように、個々の気体分子は秒速数百mと非常に高速で運動しますが、分子同士が衝突を繰り返すために、平均自由行程（衝突しないで進める平均距離）は 10^(-7) m 程度になります。

お礼

気体は熱を伝えにくいことが分かりました。

回答No.5

tetsumyi

No.1ですが考え方に欠落があるようです。
分子が衝突して低速側の分子が高速になるかも知れませんが、１方向にエネルギーが流れるように高速分子が広がるはずがありません。
低速側の分子は高速側の分子の速度を落とすように広がります。
移動距離が短いと言うことは、結果的に交じり合った領域は傾斜した形で徐々に広がることになりますが交じり合った領域が大きくなるほど温度傾斜が小さくなって、巨視的に見た場合は充分交じり合うためには非常に多くの時間が掛かることになります。
正確には統計力学で温度が平衡に近づく現象を計算することになります。

回答No.4

gn_drive

分子衝突により熱エネルギは伝播するでしょうが、マクロ的な熱の伝わりは周囲の流体分子まで温度を上げねばなりません。

またミクロ的な分子衝突のイメージだけではマクロ的な熱の伝播は説明できず、流体のマクロ的な移動現象論で考えた方が良いです。

温度差のある密閉容器内には熱サイホン効果が生じ密閉容器内に対流が生じます。またローカルな温度差でも対流が生じています。それら対流により温度差のある流体は混ざります。

回答No.2

isa-98

かいつまんで言うと、あちいお湯は高いの。冷たいお湯はひくいの。その間は似たり寄ったりで熱交換しないの。

お礼

もうちょっと具体的なまともな回答がほしいです。

回答No.1

tetsumyi

「分子の速度なみで瞬間的に混ざってしまう」と考え方が間違っています。
大気は密度が高く分子は短距離で衝突を繰り返して１秒間に分子が移動できる速度はせいぜい数センチです。
空気が粘性が非常に高いと言われる理由はこのようなり理由があり、色が付いた水をかき回すとすぐに混ざりますが蜂蜜を水に入れてかき混ぜてもなかなか混ざらないのと同じです。
それで大規模な気象現象となると高温と低温の空気は、ほとんど混ざり合わないと考えて良い事になります。

お礼

分子が1秒間に数センチ移動できると言うことは衝突の連鎖はその速さで伝わっていくってことですよね。それだと、部屋の上の温まった空気の熱は1分もすれば床まで到達することになります。速い分子でも遅い分子でも衝突すれば運動エネルギーは伝わるのに気体の熱が伝わりにくいのが不思議なんです。
空気の粘性は関係ありません。空気が混ざる必要はなく、熱が伝わればいいんです。