理科の問題について教えてください...・空気はあたためられると膨張する

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>上昇した空気は膨張する。膨張すると温度が下がる。...空気の暖かいところで膨張するんじゃないんですか...? 雲ができるメカニズムを習ったときに「断熱膨張」って聞いたはずですが。。。 ●「断熱膨張」とは物体(気体)が外との熱の出入りなしにその体積を増すことです。気体は「断熱膨張」すると気温が下がるのです。 「断熱膨張」はよくテストに出るからしっかり理解おきましょう。 ●要するに、空気が膨張して温度が下がるのは、「回りから『熱』を得られない状況で熱膨張」(断熱膨張)するので、膨張に要したエネルギー分、温度が下がるのです。 ●次に地表に近い空気が膨張するのは、「太陽熱」というエネルギーで地面が暖められ、空気も暖められて膨張するのです。 ●つまり、地表付近の空気は、「熱」というエネルギーを得て膨張するのに対し、上空の空気はエネルギーを得られない状況で膨張しているのです。膨張するためにエネルギーを使った代わりに「熱」失う(気温が下がる)のです。 以上!!

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「空気はあたためられると膨張する」と「膨張すると温度が下がる」が矛盾しているという質問だと思います。 ①「空気はあたためられると膨張する」 この場合、「あたためる」のだから、空気の塊(かたまり)に熱を加えています。加熱された空気の分子は激しく動くようになるので、風船を膨らませるように膨張します。 ②「膨張すると温度が下がる」 この場合、あたためていません。空気の塊を加熱していません。その空気の塊と外との間で熱のやり取りが行われず膨張したとき、その空気の温度は下がります。これを「断熱膨張」と言います。これは気圧が下がったことによって、空気の塊を圧縮していた外力が弱くなったから膨らんだだけです。 ①は、熱の量が増えた結果膨張した。 ②は、熱の総量は同じのまま膨張したので熱が広く分散されて温度が下がった。 という別の現象なのです。 ①は、餅を加熱したら膨らむ、というイメージ。餅の全体の熱が増えている。 ②は、温かかった部屋の容積を広げた。全体の熱は同じなので、容積を広げた分、熱が分散して寒くなった、というイメージ。部屋の全体の熱は増えていない。 -------------------- 山の上は地上に比べて気温が低いです。 山の標高が高いほど気温が低いのは2つの理由があります。 1つ目の理由は、標高が高い空気は地面からの距離が離れているからです。 太陽光線は、地球の空気を直接温めることができません。太陽光線は先ず地面や海面を温めます。地面や海面が十分に温まると、地面や海面の熱が空気に伝わります。 したがって、地上付近の空気よりも上空の空気のほうが地面や海面から離れているので温まりにくいのです。だから標高が高いほど気温が低い。 2つ目の理由は気圧の関係です。 地上1mの温まった空気の塊は軽くなって上昇します。ところが標高が高いほど気圧は低いので、上昇した空気の塊は膨張します。この空気の塊は膨張するときに熱を使ってしまうので温度が下がります。これが断熱膨張です。 標高が高いほど大きく膨張するので多くの熱を使ってしまいます。なので、標高が高いほど気温が低くなります。

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空気はあたためられると膨張するというのは、 圧力が一定となるような条件の下で、 気体の体積はその絶対温度に比例するという 「シャルルの法則」 に基づきます。大陸(岩、石、砂や土など)の比熱は 海洋(水)よりも小さいので、太陽光による熱の供給が 同じだとしても、大陸のほうが温度が高くなります。 同じ質量の空気でも、温度の高い方が体積が大きくなるので 地表面で同じ面積で比較したときに、密度の小さいほうが 空気の重さが小さくなるので、気圧も低くなるわけです。 一方、空気を上昇させた場合ですが、上空ほど空気は 薄くなって行きますよね。つまり、地上付近より上空の 方が、気圧が低くなっています。地上付近で買った ポテトチップスの袋が、山の頂上に持って行くと パンパンに膨張します。これと同じことが、上昇した 空気にも起こり、膨張するんです。温度が低いから 膨張したのではなく、気圧が低いから膨張した、 というわけです。そして、この膨張には熱の出入りが ほとんどありません。もともと空気というのは熱が 伝わりにくい性質があるからです。空気がたくさん 混じっている発泡スチロールは断熱性が高いので 断熱性を高めるための建築材などに利用されています。 そのため、膨張した空気には外部からの熱の供給がなく、 膨張するために空気の分子がそのぶん運動エネルギーを 消費してしまうんです。分子の運動状態の激しさが「温度」 なので、運動エネルギーを失った空気の温度は下がります。 こうして、断熱的に膨張した空気の温度は下がり、 湿った空気であれば、それによって露点温度に達すると 水蒸気が凝結を始めて雲を作り始めることになるわけです。 ちなみに、山頂など標高の高いところの気温が低いのは 気圧が低いからではありません。空気は太陽の光に対して 透明なので、直接太陽光によって暖められることは ほとんどありません。空気の温度は、太陽光によって 暖められた地表(地面や勅物、海水など)によって 間接的に暖められるんです。つまり、地表面に近いところ から優先的に暖められて行くので、上空へ行くほど 温まるのが遅くなり、高度が高くなるほど温度は低くなる というわけです。 この傾向は「対流圏」までの話で、その上の「成層圏」では オゾンという物質が太陽光の「紫外線」をよく吸収するので 上空ほど先に暖められることになるんです。