温度差のある流体は境界で混ざりにくいんですか？

質問

温度差のある流体は混ざりにくいというのがあるのでしょうか？
実体験として自転車で走っていてある場所から空気が、いきなり冷たい温度に切り替わるというのを感じたことがあります。
気象の世界で気団は湿度、温度が一定の空気の塊と定義されてるようです。これらは境界で混ざらないのでしょうか？よく前線という言葉を聞きますが、境目がどうなってるのか興味が沸きました。
気体なので暖かければ密度が小さくなり浮きやすいというのはあるでしょうが、境界では拡散しそうに感じます。複数の気団を含む系で考えると、一様に混じることで乱雑さ、エントロピーが増えるので、攪拌せずとも自然に拡散するんじゃないかと思うのです。粘度も低そうですし。

あと水温差のある河川の合流地点で、水質の差があると混ざりにくいという、スイスのローヌ川とアルヴ川の例も気になります。

温度が一定の流体同士と、温度差のある流体同士、拡散しやすいのは前者なのでしょうか？思考実験として比重や比熱に影響がないように同じ物質同士をマーキングして、敷居のある容器にそれぞれ入れ、そっと敷居を外して一定時間後の一様さを測定した場合、温度差があるほうが混ざりにくいのかどうかということです。マーキング、水に僅かな染料インキを加えて着色するとか、同位体を上手く使うとかです。

ご教授のほど宜しくお願いします。

回答No.2

fujic-1990 · ベストアンサー

> 温度差のある流体は混ざりにくいというのがあるのでしょうか？

　まったく混ざらないわけではないですが、混ざりにくいです。

　例えば、冷たい空気と暖かい空気が接触すると、「前線」ができます。

　暖かい空気（暖気団）が冷たい空気（寒気団）を押しながら、暖気が寒気の上に乗り上げていくのが「温暖前線」、逆に寒気が暖気を押しながら、寒気が暖気の下に潜り込んでいくのが「寒冷前線」です。

　温暖前線が通過すると、温度があがり、雨が降ります。寒冷前線は、通過すると急に温度が下がり、雷を伴った雨が降り出し、突風も吹きます。

　そんなふうに、天候に多大な影響を与えるほど、エネルギーに違いがあるわけですね。

　ということで、両気団は、もちろんいつかは混ざりますが、簡単には混ざりませんね。

> 温度が一定の流体同士と、温度差のある流体同士、拡散しやすいのは

　前者なのでしょうね。

　温度が低い方が分子の運動は小さくなります。どんどん温度を低くするとやがて「液体」に、もっと下げると個体なるわけですから、気体でも温度が低くなるにつれて液体に近く（例えば粘着力）なるのではないでしょうか。

　他方、温度が上がれば運動は激しくなります。分子と分子の間の空間は広まっていきますので、ますます気体としての性格が強くなると考えられます。

　で、液体と気体が混ざらない（例外的な超臨界流体状態もありますが）のと同じく、寒気と暖気は混じりにくいのではないでしょうか。

　余談ですが、お盆のころの深夜、高速道路をオートバイで、名古屋方面からでも宝塚方面からでも新潟を目指して走ると、吹田ジャンクションを越えたあたりから、暖かい風の中に、時々フッ、フッと冷気混じるのを感じ始めます。時刻の問題もあるのですが、敦賀あたりでかなり冷たくなります。「たしかに北陸だなぁ」と実感します。

お礼

ありがとうございます。
暖かい液体は気体寄り、冷たい液体は固体寄りの性質ってことですね。その考え方は思いつきませんでした。気団をバイクで実感できるというのも面白いですね。

回答No.1

terminator_5

現象としては全く異なりますが、似たような例として原子核に中性子を当てて核分裂反応を起こすためには中性子を減速する必要があります。

核分裂により生じた中性子線は高速中性子なため、そのままでは核分裂の連鎖反応が起き難く、減速材によって中性子の速度を落としてやることにより、連続した核分裂反応を起こすことができます。

また、減速材としても中性子の大きさにより近い水素原子を多く含む水を使うことで効率良く減速することができます。

要するに速度と大きさが近いほど、より反応しやすく、逆は反応し難いところが何と無く似ているような気がします。