化生の松下先生，高野先生と高分子物理化学という講義を担当しています．その講義で寄せられた質問に適宜答えようと思います．
1/8の２回めの講義によせられた質問「気体の緩和時間はどのくらいなのか？」
そもそも気体が緩和するとはどういうことでしょう．気体がつまった風船を変形させたとします．すると中の気体の状態は平衡からズレて，速度などの分布関数が平衡状態のものとは変わってしまいます．しばらくして気体分子間での衝突が十分起きると，気体の速度その他の分布関数は平衡状態でのものに戻ります．これがここで考える気体の緩和です．
さて，気体の緩和時間とは，気体分子の分布関数が平衡に戻るまで，統計的に十分な回数だけ衝突するのに必要な時間となります．気体の緩和時間がどのくらいの値となるか，ですが，気体分子の速度と平均自由行程（１回の衝突から次の衝突までに気体分子が飛翔する距離）がわかればオーダーが見積もれます．平衡状態からのズレが大きくないとして，まず平衡状態での平均自由行程をみるとこのくらいです．一方，気体分子の速度ですが，温度と気体分子の重さに依存しますよね．こちらも平衡状態での平均値を借りてくるとすれば，常温での窒素の場合でおおよそ500m/secくらいです．大気の平均自由行程を50nmとした場合，各分子は0.1ナノ秒くらいのインターバルで衝突します．仮に100回衝突しても10ナノ秒です．とても短いですね．
上記の計算は緩和時間のオーダーを見積もるためのものなのでかなりいい加減です．詳細に検討するには，衝突によって分子の回転や分子内の振動のモード分布が平衡化される過程を議論しないといけません．より詳しい議論のためには，この論文などを読んでください．