「気圧」と「気温」の関係について。

質問

仮の話で恐縮ですが、

巨大な実験室内の真空部屋内部に、

巨大な密閉シリンダー（高さ１万メートル）を設置し、

内部に、普通の大気を注入します。

シリンダーは完全に断熱されます。

このような状態で放置すると、どのような変化が起こりますか。

１．高さによって気圧の差は発生しますか。

２．気流や対流といったものが発生しますか。

３．地球上と同様に、１００メートル０．６度の温度差が発生しますか。

４．同じ容器内で、気圧のむらが発生すると、当然に平均化するような対流みたいな動きが起こると思いますがどうでしょうか。

５．安定した状態になりますか。それとも永久に対流が起こりますか。

６．そのほか、何でも教えてください。

（完全な素人です。そのレベルでわかりやすく解説をお願いします。）

回答No.2

kagakusuki

1.
　生じます。
　気体にも質量があり、重力が存在する場所では上部に存在する気体の重量によって、下部に存在する気体が圧縮されますから、上に存在する気体の質量が大きくなる下の方ほど圧力が高くなります。

2.
　内部に長大な冷凍機の様なものがあり、熱源と冷却部が存在している場合には対流が発生します。
　又、地球の自転によってシリンダーが1日ごとに1回転しているため、シリンダーの径も非常に太くなっていて、高さ方向のサイズに比して、東西方向のサイズが無視出来ない程であれば、コリオリ効果によってシリンダー内部の空気も回転します。

【参考URL】
　コリオリの力 - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%83%AA%E3%82%AA%E3%83%AA%E3%81%AE%E5%8A%9B

※シリンダーの内側と外側との間には、物質のやり取りもエネルギーのやり取りも無いのですから、周囲が真空であるかどうかは関係しません。

3.
　地球の対流圏において１００メートル０．６度の温度差があるのは、地面が太陽熱で温められ、その地面の熱によって地表近くの大気が加熱されて温度が上昇し、温度が上昇して膨張した空気は密度が低下するため浮力によって上昇し、上昇した空気は上空の低圧によって断熱膨張するため温度が低下する事が原因です。
　最初の段階におけるシリンダ内の気体の温度分布が、もし上部の温度と比べて下部の温度の方がずっと高かった場合には、下部の空気は温度が高いために密度が低くなっていますから、シリンダー内を上昇し始め、上昇するに従って気圧が低下して断熱膨張するため温度が下がりますので、上部と下部との間にある程度の温度差が生じる事になります。
　一方、最初の段階におけるシリンダ内の気体の温度分布が、もし上部の温度と比べて下部の温度の方が少しだけ高いだけであまり大きな温度差が無く、上部の空気を断熱圧縮して下部と同じ気圧にした際の温度が、下部の空気の温度よりも低くならない場合には、下部の空気が上部に上昇しようとしても、上部の空気と比べて温度が低くなってしまうため、上昇出来ず対流が起きないため、シリンダー内の温度分布は「対流によって」変わる事はありません。
　又、最初の段階におけるシリンダ内の気体の温度分布が、もし上部の温度と比べて下部の温度が同じか、或いは低くなっていた場合にも、対流が起きないためシリンダー内の温度分布は「対流によって」変わる事はありません。
　この様に、シリンダー内の気体の温度分布は初期の状態によって大幅に変わって来ますから、

>１００メートル０．６度の温度差

という分布になる事はまずありません。
　そして、輻射熱や熱伝導等によって下部の空気の熱が上部の空気に伝わる事によって、最終的には上下の温度差は無くなります。

※シリンダーの内側と外側との間には、物質のやり取りもエネルギーのやり取りも無いのですから、周囲が真空であるかどうかは関係しません。

4.起こります。
　そして、シリンダー内には新たな気圧のむらを生み出すエルギー源が存在しないため、その流れによって気圧のむらは速やかに平均化されてしまいますので、対流等の流れは速やかに止まってしまいます。

5.「3.」の所で述べました様に、

>上部の温度と比べて下部の温度の方が少しだけ高いだけであまり大きな温度差が無く、上部の空気を断熱圧縮して下部と同じ気圧にした際の温度が、下部の空気の温度よりも低くならない

という状態に達した処で対流は起きなくなり、その後、

>輻射熱や熱伝導等によって下部の空気の熱が上部の空気に伝わる事によって、最終的には上下の温度差は無くなります。

という事になります。

回答No.1

trytobe

１．はい。下には、それより上の空気の重力がかかりますから。
２．いいえ。周囲が理想的な真空だと条件がありますから。
３．いいえ。対流が起きませんし、周囲が真空ですから。
４．放置したあとには平衡状態になります。
５．放置したあとには平衡状態になります。
６．（なし）