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。
