空気の膨張とは何か?空気の温度によって体積が変化する仕組みとは?

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    さてあなたは空気の膨張という言葉を聞いたことがあるでしょうか。

     

    空気自体が無色透明で目には見えないため、
    膨張するといってもイメージするのが難しいです。

     

    そして空気というのはその温度によって体積が変化します。
    しかしなぜ空気の体積が変化するのかその仕組みを理解している人は少ないです。

     

    そこでこのページでは空気の膨張とは何か?
    また空気の温度によって体積が変化する仕組みを簡単に解説します。

     

    どうぞご覧ください。

     

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    1.空気の膨張とは何か?

     

    では空気の膨張とは何か見ていきましょう。

     

    空気の膨張(ぼうちょう)とは、空気が熱によって暖められることで体積が大きくなることを言います。

     

    また熱で暖めることで空気が膨張するのですから、反対に冷やすことで空気は圧縮します。

     

    空気が圧縮すると体積は小さくなります。

     

    そして暖めたり冷やしたりすることで体積が変化するのは空気だけではありません。
    例えば鉄などの金属や他の物体に対しても言えることです。

     

    基本的に膨張するか圧縮するかは、
    その物体の状態(気体・液体・固体)に関係なく起こります。

     

    このように暖めたり冷やしたりすることで膨張・圧縮するのは、
    空気だけでなく他の多くの物体にも当てはまる性質なんですね。

     

    • 空気の膨張 → 体積が大きくなる
    • 空気の圧縮 → 体積が小さくなる

     

    ちなみに空気は暖めたり冷やしたりする以外でも体積が変化することがあり、
    熱を加えないで膨張したり圧縮することを断熱膨張・断熱圧縮と言います。

     

    なので空気の体積を変化させる方法には、
    熱を加える方法と熱を加えない方法の2通りがあるということになります。

     

    このページでは主に熱を加えたときの空気の体積変化の仕組みを説明しています。

     

    ではなぜ空気は暖めれば膨張し、冷やされれば圧縮するのでしょうか?
    次の章で空気の温度によって体積が変化する仕組みを見ていきましょう。

     

    2.空気の温度によって体積が変化する仕組みについて

    さて空気の温度によって体積が変化する仕組みを説明していきます。

     

    まず前提として空気だけでなくどんな物体においても温度というのは、
    その物体の分子の運動によって決まっているということを知っておかなければなりません。

     

    分子が激しく動いていればその物体の温度は高くなり、
    分子の動きが穏やかであればその物体の温度は低くなります。

     

    このように物体の温度を決めているのは、その物体を構成している分子の運動になります。

     

    空気にも空気分子というものが存在しています。
    空気というのは下の図のようなものだとイメージしてください。

     

     

    このイメージで空気の温度が高い状態と低い状態を表すと下図のようになります。

     

     

    あくまでもこの図は空気の一部をイメージしたものなので、
    この空気の塊以外にも周囲に空気はたくさん存在しています。

     

    なのでこの周囲にも同じような空気の塊がぎゅうぎゅうに詰まっているとイメージしてください。

     

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    さて本題に入って空気の温度によって体積が変化する理由は、
    空気分子が空気の壁(図の中だと○のこと)を押す力が変化するからです。

     

    空気の温度が変化すると、空気分子の動きも変化します。

     

    そして空気分子の動きが激しくなれば空気の壁を押す力も強くなり、
    空気分子の動きが穏やかであれば空気の壁を押す力も弱くなります。

     

    つまり空気の体積の大小というのは、空気分子が空気の壁を押す力によって決まります

     

    それでは以上のことを踏まえて空気の温度を上げた場合と下げた場合で、
    空気の体積が変化する仕組みについて詳しく説明していきます。

     

    空気の温度を変化させない場合(通常時)

    まずは温度を変化させないときは空気の体積が、
    どのような状態になっているのかを説明していきます。

     

    空気の温度を変化させなければ、
    空気の体積はほぼ一定のままキープされるので変化しません。

     

    では空気の体積がキープされているときはどのような状態なのか下図をご覧ください。

     

     

    空気はお互いを押し合ってぎゅうぎゅうに詰まっているため、
    周囲を他の空気に取り囲まれているので他の空気分子の力を受けます。

     

    そして空気の体積が一定にキープされている状態というのは上図のように、
    内側の空気分子と外側の空気分子の空気の壁を押す力が釣り合っているということを意味します。

     

    なので簡単に言えば、内側と外側の空気分子の押す力が釣り合っていなければ空気の体積は変化することになります。

     

    空気の温度を上げた場合

    空気を暖めて空気の温度を上げると体積は大きくなります(空気の膨張)

     

    そして空気を暖めるということは、
    空気分子の動きを激しくさせ空気の壁を押す力を強くするということです。

     

     

    暖められた空気分子の動きは激しくなって壁を押す力は強くなりますが、
    外側の暖められていない空気分子の動きは変わらないのでそのままの状態です。

     

    そうすると内側と外側の空気の壁を押す釣り合っていた力が崩れます。

     

    なので暖められた空気分子によって空気の壁を押す力が、
    周囲の空気分子の力(外側)よりも強くなるからその空気の体積は大きくなるんですね

     

    これが空気を暖めて温度を上げた場合に起こる空気の膨張の仕組みです。

     

    空気の温度を下げた場合

    空気を冷やして空気の温度を下げると体積は小さくなります(空気の圧縮)

     

    そして空気を冷やすということは、
    空気分子の動きを穏やかにさせ空気の壁を押す力を弱くするということです。

     

    基本的に考え方は空気の温度を上げたときと同じです。

     

     

    空気を冷やすことによって空気分子の動きが穏やかになるため、
    内側から空気の壁を押す力は弱くなります。

     

    しかし冷やされた空気分子の押す力は弱くなりますが、
    その周辺に存在する空気分子は温度が変化しないのでそのままです。

     

    なので冷やされた空気分子の押す力の方が、
    外側の空気分子(外側)よりも弱くなってしまうため空気の体積は小さくなるんですね。

     

    これが空気を冷やして温度を下げた場合に起こる空気の圧縮の仕組みです。

     

    以上が「空気の膨張とは何か?空気の温度によって体積が変化する仕組みとは?」でした。

     

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    3.まとめ

    これまで説明したことをまとめますと、

    • 空気の膨張とは、空気が熱によって暖められることで体積が大きくなること。
    • 空気を膨張させるには熱による方法と、断熱膨張の2通りがある。
    • 空気の温度によって体積が変化するのは、空気分子が空気の壁を押す力が変化するから。

     

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