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温かい空気は上に 

人類は空を飛ぶために熱気球を発明しました。すでに書いた通り遠くの仲間とやり取りするため、昼はのろし、夜は天灯を使っていました。天灯は熱気球と同じです。

ではなぜ天灯は空へ上がっていくのでしょう。
天灯は袋の下にろうそくなどの火を置いて、温かい空気を袋の中に入れています。周りの空気よりも温かくなることが大切です。
91207a.jpg
黒いビニール袋に空気を入れちゃんと口を縛って風船にします。中の空気と外の空気を出入りすることはできません。
これを太陽の光に当てると風船の中の空気はどんどん温かくなります。そして少しずつ風船が大きくなっていきます。
これは空気が増えたのでしょうか。

中に入っている空気の量。わかりやすくいうと空気の粒の数は変わりありません。粒のことを“分子”といいます。そして空気は、窒素、酸素、あとごく少ないアルゴンや二酸化炭素などが混ざったものなので“空気”という分子があるわけではありませんが、簡単のため空気という分子があるとしましょう。

温度が低いと空気の分子は元気がなくなり集まってきます。逆に温度が高くなると飛びまわり活動範囲が広がります。
風船の中に入っている空気の分子の数が同じでも、温度が低いと分子同士が集まって風船は小さくなります。
逆に温度が高いと空気の分子は飛びまわって風船を広げていくので大きくなります。空気の分子ひとつひとつはみんな同じ重さです。
91207b.jpg
今度は大きさの変わる風船ではなく、寒い部屋の空気と暖かい部屋の空気を同じ大きさの箱に入れて、どちらが多くの空気の分子が入っているか比較してみます。

寒い部屋の空気は空気の分子が寄り集まっているため、暖かい部屋の空気よりも多くの空気の分子が入っています。
空気の分子は目に見えませんが、同じ大きさの箱で空気の分子は同じ重さ。つまり寒い部屋から持ってきた箱には空気の分子がたくさん入っているので、暖かい部屋から持ってきた箱よりも重たいことになります。もし天秤で量ることができれば、寒い部屋から持ってきた箱が下に下がります。
91207c.jpg
ここで冷たい空気の中で温かい空気の風船があったらどうなるでしょう。
どんどん風船の中の空気が温かくなると、同じ大きさの冷たい空気の風船よりも軽くなります。もし風船自体の重さを含めても周りの空気よりも軽くなるくらい温かくなると浮かび始めます。

つまり空気の分子は、同じ大きさであれば温度が高いほど冷たい空気よりも数が少なくなり、軽くなることになります。熱気球は温度によって空気の分子の数の差(密度の差)で浮いていることになるのです。

口を閉めた風船は温度が上がるほど膨らんできます。これは温度が高いほど空気が元気よく飛びまわるからですが、どんな気体でも理屈上では1℃温度が上がるごとに273分の1ずつ風船は膨らんできます。

もし0度の空気が入った風船があったとしましょう。この風船をどんどん冷やし-273℃に達すると何もなくなってしまうということです。こんなことはありません。途中で液体になったり固体になったりしてしまいます。

湯気は水蒸気といって水が気体になったものですが、冷えると水になります。雲から雨が降るように。
水は0℃になると凍り始めます。1℃の変化で273分の1ずつ風船の大きさが変わるのは気体の時だけの話です。
これも気体の種類によって違いますが、簡単のため理想気体という想像の気体で考えているのです。

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