空気の温度で重さは変わる?暖かい空気は軽く冷たい空気が重い仕組みとは?

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    さて暖かい空気が軽くなって、冷たい空気は重くなるという話を
    あなたは聞いたことがないでしょうか。

     

    これが本当なら空気は温度によって重さが変化することになりますが、
    本当に空気は温度で重さが変わるのでしょうか?

     

    そしてなぜ暖かい空気が軽くなって冷たい空気は重くなるのか、
    その仕組みを知りたいと疑問に感じている人も多いはずです。

     

    そこでこのページでは空気の温度で重さは変わるのか?
    また暖かい空気が軽くなり、冷たい空気が重くなる仕組みを簡単にまとめました。

     

    どうぞご覧ください。

     

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    1.空気の温度で重さは変わるのか?

     

    では空気の温度で重さは変わるのかどうか見ていきましょう。

     

    結論から言ってしまうと、空気の温度が変化しても空気自体の重さは変わりません

     

    まず空気というのは温度によって膨張・圧縮します。

     

    空気が膨張・圧縮するということは簡単に言えば、
    空気の体積が大きくなったり(膨張)小さくなったり(圧縮)するということです。

     

     

    上の図は空気の温度と体積・重さの関係をそれぞれ表したものです。

     

    このように空気を冷やしたり暖めたりすることで、
    空気自体の体積は変化しますが重さは変わりません。

     

    なので空気の体積が大きくなっても小さくなっても、もとの空気の重さと同じままなんですね。

     

     

    暖かい空気は軽くなるから上昇して、
    冷たい空気は重くなるから下降するというような話をよく聞きますよね。

     

    確かに暖かい空気は上昇して、冷たい空気が下降するというのは事実です。
    しかし空気を暖めても冷やしても空気自体の重さは変わりません。

     

    では空気を暖めると上昇して、冷やすと下降する理由は何なのでしょうか?

     

    それは、空気の温度が変化することでその空気の密度が変わるからです。

     

    次の章でどちらが重いのかは密度で判断するについて解説していきますね。

     

    2.どちらが重いのかは密度で判断する

    ではどちらが重いのかを考えるときに密度が重要になる理由を説明していきます。

     

    まず密度(みつど)というのは、体積当たりの重さのことを言います。

     

    例えば1kgの金と1kgの綿(わた)があります。
    この金と綿を比較したときどちらの方が重さがあるでしょうか?

     

    正解は、金も綿も同じ重さです。
    どちらも1kgなのですから重さは同じに決まっています。

     

     

    ですが綿よりも金の方が重いイメージってありますよね。
    そしてこれについて考えるうえで重要になってくるのが密度です。

     

    この例みたいに綿のようにどんなに軽いものでも、
    量を積み重ねていけばいくらでも重さを増やすことが可能です。

     

    そうすれば何が軽くて何が重いのか判断することが難しくなりますよね?

     

    だから重さを比較するときはそれぞれの物体の密度、
    つまり同じ体積当たりの重さで考えなければならないということです。

     

    このようにそれぞれの物体の密度で考えることでどちらが重いのかが判断できるようになります。

     

     

    軽い重いというのはその時点で何かを基準にしていて、
    その基準と比較することで軽いか重いかを判断しています。

     

    体重が軽くなったというときは以前の体重と比較していて、
    空気を暖めたら軽くなったというときは暖める前の状態の空気と比較しています。

     

    空気自体の重さは変わっていないのに軽くなった重くなったと表現することで、
    その物体の重さが変化したんだなと勘違いしてしまうこともよくあります。

     

    なのでそこには物体の重さが関係しているようにも思えるのですが、
    実際にどちらが重いのかを比較する場合は物体の重さよりも密度が重要になるので覚えておきましょう

     

    また暖かい空気は上昇して冷たい空気は下降していきますが、
    空気自体が無色透明の気体なのでイメージするのが難しいですよね。

     

    そこで次の章で図を用いてその仕組みを分かりやすく解説していきます。

     

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    3.暖かい空気が上昇して冷たい空気が下降する仕組み

    まず暖かい空気は重さは変わらず膨張するので密度は大きくなり、
    冷たい空気は重さは変わらず圧縮するので密度は小さくなります。

     

     

    暖かい空気のほうが通常の空気よりも密度が小さくなるから軽くなって、
    冷たい空気のほうが通常の空気よりも密度が大きくなるから重くなります

     

    これは先ほど説明した内容です。

     

    では暖かい空気が上昇して、冷たい空気が下降する仕組みについて図を用いて解説していきます。

     

    暖かい空気は軽いから上昇して、
    冷たい空気は重いから下降するのが当たり前と考えるのは簡単です。

     

    確かに当たり前のことといえば当たり前のことなんですが、
    なぜ軽い空気が上昇して重い空気が下降するのかその仕組みについて考えたことはありますか?

     

    さっそく結論から言ってしまうとその仕組みは、
    冷たくて重い空気が暖かくて軽い空気を押しのけるからなんですね。

     

    これは水の中にモノを沈めたときのことを考えるとイメージしやすくなります。
    水も空気と同じように流体です。

     

    モノには水に沈むモノと水に沈まないモノがあります。
    水に沈むモノと沈まないモノの違いは密度の大きさです。

     

     

    上の図のように水よりも密度が大きいものであれば沈み、
    水よりも密度の小さいものであれば水の上に浮かびます。

     

     

    そして暖かく軽い空気が上昇して冷たく重い空気が下降する仕組みも水と同じように考えてみてください。

     

     

    冷たい空気の方が暖かい空気よりも密度が大きくて重いので、
    上に存在していた冷たい空気が暖かい空気を押しのけて下降していきます。

     

    なので暖かい空気と冷たい空気を簡単に表すのなら、
    冷たい空気の上に暖かい空気が乗っかっているような状態です。

     

    このようにイメージしてみると、
    暖かい空気が上昇して冷たい空気が下降する仕組みが理解しやすくなるのではないでしょうか。

     

     

    ちなみに空中に風船が浮かぶのもこれと同じ仕組みです。

     

    風船の中に入っている気体が空気よりも密度の小さい気体なので、
    空気のほうが密度が大きく重いため風船を押しのけて空気がどんどん下へ下へと入っていきます

     

     

    これによって風船が浮かんでいます。

     

    なので風船が空中に浮かんでいるというのは、
    風船が空気の上に乗っかっているようなイメージになります。

     

    以上が「空気の温度で重さは変わる?暖かい空気は軽く冷たい空気が重い仕組みとは?」でした。

     

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    4.まとめ

    これまで説明したことをまとめますと、

    • 温度によって空気の重さ自体は変化しないが、空気の密度については変化する。
    • どちらが重いのか軽いのかは、それぞれの物体の密度で判断すること。
    • 冷たい空気は密度が大きく重いため、暖かい空気を押しのけて下に入り込んでいく。

     

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