日常生活の疑問

質問

空気の主成分て窒素ですよね。空気中の窒素は互いに衝突しますよね。

例えばこの窒素が500[m/s]で互いに衝突したとします。現実では物体の衝突は不完全な弾性衝突じゃないですか。だから今回も不完全な弾性衝突で考えます。

不完全な弾性衝突であるとすると、衝突後の窒素分子の速さは500[m/s]より遅くなりますよね。また衝突すればさらに遅くなりますよね。ということは、これを繰り返すと窒素分子の速さは限りなく小さくなって、最終的に止まってしまいますよね。ということは、空気の温度が0[k]になってしまうということに他ならないじゃないですか。

すなわち、時間が経てば経つほど必ず気温が0[k]になるということですよね。

でも、日常経験からして有り得ませんよね。

どうしてですか？ずっと考えてるんですけど、分かりません。誰か教えて下さい。できれば、物理的な考察を含めて、高校生でも分かりやすくお願いします。

回答No.7

htms42

窒素分子や酸素分子の運動エネルギーの内容は２種類あります。
常温で可能な運動は重心の併進運動と重心周りの回転運動です。熱を加えるとこれらの運動のエネルギーが増加します。定積モル比熱の値は自由度５の等配分則で考えた(5/2)Ｒにほぼ等しいです。定圧比熱の値の場合は(7/2)Ｒです。定圧比熱と定積比熱の比を比熱比といいます。理科年表によると窒素の比熱比は１６℃で１．４０５≒７／５です。５００ｍ／ｓという速さは重心の併進に対応するものです。衝突が非弾性的に起こったときのエネルギーの行き先はこの回転運動だということになります。振動は赤外線の領域にありますので普通の温度ではほとんど励起していません。電子状態の励起はもっと起こりにくいです（紫外領域です）。

どういう運動にエネルギーが渡されるにしろ２つの分子が衝突した場合、２つの分子の全エネルギーが保存されます。ただ重心の併進運動以外の部分にエネルギーが移動すれば速度だけで考えた場合は衝突が非弾性だということになります。衝突によって回転運動から併進運動にエネルギーが移れば併進のエネルギーは増える事になります。衝突を繰り返すごとに値はゆらぎますが平均的な値から大きくずれていくことはありません。

分子２つでは熱エネルギーというイメージは成り立ちません。熱とか温度とかは集団に対しての概念です。

回答No.6

tanuki4u

訂正
素粒子物理学出身者に確認した。

窒素分子と窒素分子が衝突して跳ね返るのは、電子と電子の斥力だそうだ。
んで、電子というのも確率的に存在するので、トンネル効果で、通過しあうときもあるそうだ。
分子レベルだと、滅多には起きないと話していた。

＝＝＝
不完全弾性衝突で、分子の速度が遅くなっても、その遅くなった分、分子内にエネルギーが保存されます。
エネルギー順位が上がると言うことですね。
で、このエネルギー順位が上がったところから下がると（上の方が不安定なので）電磁波とかで外部にエネルギーを放出します。
止まった船で、ボールを投げると、ボールも飛んでいくが、船の方も逆方向に動く（作用・反作用の法則）ので、つまり、また分子の速度が変化します。
ということで、最終的に止まると言うことはありません。
止まるときは、放出された電磁波がその系を考えたときに、出るばかりで、入ってこないとき。地球規模で考えると、
No1の方が、指摘されているように、太陽からの電磁波が無くなったときです。

回答No.5

tanuki4u

不確定性原理ってのは高校で習うのか？今。
あるいは、ドブロイ波とか。

日常生活のレベルで考えている（測定している）情報は、細かい素粒子になると決定できなくなります。

というのが不確定性原理。

衝突するといのは、つまり窒素分子がどこかに（位置情報）ある速度で（速度情報）移動中というのが一意に測定できると言うことなんですが、不確定性原理が教えることは、「そんなん、確定できません」ってこと。

んで、窒素分子とかいいながら、実態は、原子核　と　電子の集まりで、原子核と電子の構造は
http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld/Part2/P26/atomic_nucleus.htm
ここにあるように、ガサガサ。
ぶつかりようがないです。
原子核とか電子もその中身は、「存在確率」の雲状なので、ほんとはぶつかりようがない。

んじゃ、二つの窒素分子は、お互い　通過するんでねーの？と思うのだが、お互いに重力子を投げ合って影響し合っているんじゃねーの？なので、さも、衝突して反発しているように見える（日常生活における剛体のように）というのが、現時点における素粒子物理学の仮説。

回答No.4

maru-tu

ある仮定をして、現実とは異なるありえない結論が出てきたならば、その仮定が間違っているというのは背理法の基本。この場合は「だから今回も不完全な弾性衝突で考えます」の部分が背理法により否定されるべき仮定ということになります。

通常の物質において、なぜ非弾性衝突となるのかということを考え、理解を深めるいい機会だと思います。非弾性衝突となるのは「力学的エネルギーが物体の内部エネルギー(熱エネルギー)などに変わるためなのですね。

理解が深まれば、実はここでは語られていないことにも気づくかもしれませんが、それはまたいずれかの機会に譲ります。

回答No.3

debukuro

衝突で遅くなると言うことはそれまで持っていた運動エネルギーがどこかに行くわけですよね
どこに行くのでしょうか
自分自身の振動が増加するか電磁波に変換されて他の窒素分子に引き継がれるかどちらかです
完全に閉じた系ならその中のエネルギー総量は不変です
ご安心ください
エネルギーがなくなることはありません

回答No.2

noname#175206

単純化のために、断熱で膨張もしない箱の中に窒素だけがあるとしましょう。そしてあえて、窒素同士が非弾性衝突としましょう。さらに2個の窒素分子しかないとしましょう。
　1回目の衝突で窒素分子双方の速度は落ちます。これは間違いない。落ちた速度のエネルギーは窒素分子の熱エネルギーになります。つまり窒素分子の振動が激しくなる。この状態でまたぶつかります。すると振動が激しくなった分、今度はその振動のため、衝突後の速度が増します。これの繰り返しのため、平均の速度は落ちないのです。
　窒素がたくさんになっても理屈は同じです。

回答No.1

goomasa001

個人的な推測で申し訳ないですが・・・

おそらく気体分子は太陽光等によってエネルギーを供給しているんじゃないかと思います。
その証拠に、昼間は暖かく、夜は気温が下がりますよね？
そして太陽が地球から完全に遮断されたら寒くなるのも分かりますよね？

つまり、太陽からの熱エネルギーから気体は運動エネルギーを得ているんじゃないかと思います。

専門家ではないので、参考までにお願いします。