雲について

質問

雲ができるのは、何らかの理由で空気塊が、上昇し、
その際、その空気塊が膨張します。
その断熱膨張により、空気塊の温度が下がり、
雲ができる。
これは分かるのですが、膨張すると温度が下がるといううのは、
どういうことなのでしょうか。

回答No.5

htms42 · ベストアンサー

＃１についてです。
＞熱とはそもそも何かというと、分子の運動の状態です。
＞その激しさが温度になります。

熱は運動エネルギーの総和に対応しますが熱は分子ひとつの平均の運動エネルギーに対応します。

衝突回数が減っても分子の速さは変わらないと書かれていますから温度は変わらないことになります。
温度は温度計と測られるものとが熱平衡になったときに決まります。気体が希薄になってくると熱平衡に達する時間が長くなります。温度計の熱容量が大きいと温度計を入れることによって気体の温度が変化する可能性も出てきます。

断熱膨張を運動のイメージで説明することも出来ます。気体の圧力で壁が動いて膨張しています。止まっている壁にぶつかって跳ね返る分子の速さは変わらないと考えますが動いている壁にぶつかって跳ね返る場合は速さが変わります。遠ざかる壁にぶつかった場合（ぶつかった事によって壁が動く場合）は跳ね返った後の方が遅くなっています。運動エネルギーが減少しています。この分が衝突によって壁を動かすのに使われているのです。
温度計と気体分子とが熱平衡になるというのも衝突で考えることが出来ます。温度計と気体とが衝突します。温度計を作っている物質の粒子（原子、分子、イオン）は温度計の温度に対応した激しさで振動しています。温度計の方の温度が高ければ衝突によって気体分子の速さが大きくなります。温度計の方の温度が低ければ衝突によっていくらか分子の速さが遅くなり温度計の方の粒子の振動のエネルギーが少し増えます。これが繰り返されることで温度の等しい状態、１粒子当たりの平均の運動エネルギーの等しい状態が実現します。

回答No.4

sanori

再びお邪魔します。

細かいことですが、
前回答で電熱線の例を挙げましたが、電熱線に気体分子が触れるだけでなく、電熱線から出る放射（赤外線など）によって気体が温まる効果もありますが、それは無視した話としてとらえてください。
また、電熱線のように持続的にエネルギーを加えるのではなく、あくまでも温度計と気体が熱平衡に達するまでの過程を説明するための例でした。

いずれにせよ、結論には影響はありません。

回答No.3

sanori

＃１様のご回答は、残念ながら正しくありません。
温度計に気体分子が衝突するたびに温度計の温度が上昇する、つまり、気体分子は一方的に温度計にエネルギーをどこまでも与え続けるとすれば、系のエネルギーは全て温度計に吸収され、気体の温度は絶対零度になります。

気体は温度計にエネルギーを与えるだけでなく、逆に温度計からエネルギーをもらうこともあります。
わかりやすい例では、気体の中に熱い電熱線を入れた状況を考えればよいです。
気体は電熱線からエネルギーをもらい、温度が上昇します。

つまり、｛与える／もらう｝が“引き分け”になった状態（熱平衡）で、温度計と気体の温度が落ち着くわけです。

断熱過程は、やはり、外部への仕事の概念なくしては説明できません。
膨張して外部へ仕事をすることと引き換えに、自分のエネルギーを減らします。（＝温度が下がります。）

手元の物理学事典によれば、
断熱膨張、断熱圧縮に関しては、ポアソンの法則
Ｔ×（Ｖのγ乗）　＝　一定
が成り立つそうです。
　Ｔ：気体の絶対温度、Ｖ：気体の体積、γ（ガンマと読む）：比熱比

下記リンクもご参考。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AD%E7%86%B1%E9%81%8E%E7%A8%8B

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9D%E3%82%A2%E3%82%BD%E3%83%B3%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87

回答No.2

phusike

物を加熱すると膨張しますね。
要するに、（加えた熱） = （温度上昇） + （体積膨張）です。

それでは、熱を加えずに膨張させるとどうなるかというと、
0 = （温度上昇） + （体積膨張）です。

つまり、タダでは体積膨張させてくれないため、
自らの温度を下げる必要があるわけです。

なお、（加えた熱） = （温度上昇） + （体積膨張）に相当する式は、
dU = δQ + δW と書かれ、
「熱力学第一法則」という名前が付いています。
これはエネルギー保存則の別表現です。

回答No.1

myeyesonly

こんにちは。
断熱膨張を調べると必ず「外部に対して仕事をして云々」という訳の判らない説明が出てきます。

ここはもっと簡単に考えてください。
熱とはそもそも何かというと、分子の運動の状態です。
その激しさが温度になります。

では、分子の数も運動の状態も変わらないままで体積を増やしたらどういう事になるでしょう。
そこに温度計を入れてみると、気体の分子が温度計に衝突する頻度が低くなる、というのは判りますか？

そうすると、一つの気体の分子が当たって、温度計に与えるエネルギーは同じですが、数が減るので温度計の温度（つまり温度計の分子の振動）は体積を増やす前より下がるわけです。