1樓：
單個分子總是在不斷運動的，並且有個平均自由程，也就是平均多遠的距離上不會發生碰撞，碰撞當然就會改變運動狀態。
許多分子聚集在一起，整體上會表現出溫度這個性質。也就是說，溫度是許多分子在一起才能表現出的性質，兩團溫度不同的氣體，意味著它們之中沒個分子的能量不同，大概上看，冷氣團中的每個分子能量低於熱氣團中的每個分子。而擁有不同能量的分子，有不同的運動狀態。
所以熱氣團中的分子，其運動狀態和冷氣團中的分子運動狀態不一樣。不一樣的運動狀態會讓他們在大氣中分布不同，能量高的分子更容易佔據教高的位置，也就是說，在一段時間內看，它們在高處的時間比在低處的時間多。或者說，你任意選乙個時間點「抽查」，在高處找到高能量分子的概率比較大，找到低能量分子的概率比較小。
而高能量分子湊成一堆，就是熱氣團。
所以本質上講，不是密度小的物質會上公升，而是你的思維把那些容易跑到高處去的分子放在了一起，並給他們取了個名字叫做「密度小的物質」，把這種現象叫成了「熱空氣上公升」。
非要說的話，也可以把木頭當成平均自由程極小的氣體，水也是。
2樓：
這個是可以從微觀動力學角度解釋的（當然也需要做一些統計假設）
簡單的定性解釋如下：
小質量或高溫氣體分子具有較大速度，當背景氣體密度不均時，與背景氣體發生的不對稱碰撞提供了額外反衝，超過了重力作用，因此獲得向上的淨衝量
下面是定量計算
首先來考慮這個問題：如何從分子碰撞這個角度推導出理想氣體在重力場中的密度分布？
考慮兩個粒子，質量分別為 m 和 M，碰撞前速度分別為 和 ，則質心速度是：
因此在質心系中，粒子 m 碰撞前速度是：
為簡化計算，我們假定碰撞的角分布是各向同的，也就是說粒子 m 碰撞後的質心系速度 大小不變，但方向完全隨機化，亦即其期望值 = 0" eeimg="1"/>
我們來計算粒子 m 因碰撞導致的速度變化 的期望值 ：
=\left< \vec v '' \right> - \left< \vec v' \right> = - \left< \vec v' \right>= -\frac \left( \vec v - \left< \vec V \right>\right)" eeimg="1"/>
假定被撞粒子 M 來自熱平衡氣體，其速度 的分布各向同，亦即 = 0" eeimg="1"/>
這樣粒子 m 因單次碰撞導致的速度變化的期望值就是：
= -\frac \vec v" eeimg="1"/>
可以看出碰撞給粒子帶來的反衝的大小正比於粒子自身速率，且方向相反
如果粒子 M 組成的背景氣體密度不均，比如說低處密度更高，那麼粒子 m 速度向下時發生碰撞的頻率會高於速度向上時，因此向上反衝的總量會多過向下反衝的總量，即獲得淨向上衝量
當粒子 m 自身就來自同一背景氣體時，該淨向上衝量正好平衡掉重力產生的向下衝量，因此速度分布得以保持統計平衡不變
當粒子 m 具有乙個更大均方速度時，該淨向上衝量用於平衡重力還有餘，因此有上公升趨勢
設背景氣體在高度 H 處的數密度為 n(H)，密度梯度 ，我們需要算出乙個原本處在 H 處的粒子 m 因碰撞獲得的淨向上衝量
記粒子 m 的初速度沿 z 軸分量為 ，記 為 的概率密度，因各向同性有：
= \int v_z f(v_z) \mathrmv_z = 0" eeimg="1"/>
粒子經時間 t 後發生碰撞，該處高度為 ；粒子在不同高度發生碰撞的頻率正比於該處數密度，因此相對頻率是 （忽略高階項）
另外注意到碰撞發生前，因重力作用粒子速度 z 分量已經變成了 ，因此單次碰撞事件導致的速度 z 分量變化的期望值是：
= -\frac (v_z-gt)" eeimg="1"/>
將該期望值再依相對頻率加權平均，得到所有可能碰撞帶來的淨值（同樣忽略高階項）：
p f(v_z)\mathrmv_z \\ &= \int -\frac (v_z-gt)(1+\fracv_zt) f(v_z)\mathrmv_z \\ &= \frac\left(g-\frac\left\right)t \end" eeimg="1"/>
依據麥克斯韋速度分布率， = \int v_z^2 f(v_z) \mathrmv_z = \frac" eeimg="1"/>，T 是粒子 m 所屬熱平衡氣體溫度
如果粒子 m 同屬於背景氣體，即 m = M，那麼碰撞應當剛好平衡掉重力，亦即 ，於是得到單一成分氣體在重力場中密度分布所應滿足的微分方程：
} = -\frac" eeimg="1"/>
對應的解是熟知的指數分布：
w 關於 m 單調減，關於 " eeimg="1"/>單調增，因此對於另一熱平衡氣體的粒子 m，比如質量 m gt" eeimg="1"/>，令其產生上公升趨勢
3樓：者也
熱空氣的能量大，也就是動能大，由於地心引力的作用低海拔的空氣密度比高海拔的空氣密度高，當某一處熱空氣不穩定要傳遞動能的時候，它可能是想往四周傳遞，但是四周的兄弟姐妹們已經很擠了，所以他沒辦法只能向上找上面的兄弟姐妹們了。
但是題主問的是密度小的物質會上公升，這個原因就是壓強差吧，空氣中和水裡是乙個道理。就好比在太空中一般就不會有這個現象，因為太空中不存在引力，所以也就不存在重力差，也就不存在壓強差。
至於題主想從分子或原子層次來看這個問題，還是不太現實，密度小的的物質會上公升是巨集觀上的上公升，就好比熱空氣上公升，或許上公升的熱空氣並不全是原來的熱空氣，也不是所有的熱空氣都會上公升，也有向四周擴散的，這個上公升如果你從單個分子或者原子來看它可能就沒有上公升。
4樓：中科院物理所
密度小的氣體在上只是一種巨集觀現象。
由於氣體分子的質量較輕，重力勢能較小，同時氣體分子的熱運動動能又較大，因此不同氣體之間重力勢能的差別不足以帶來分層的效果。當兩種氣體混合後，無論在高處還是低處，都既有較重的氣體又有較輕的氣體。不過這種混合並不是完全均勻的，畢竟重力勢能雖小但也不是完全不存在。
利用熱力學的玻爾茲曼分布，可以計算出在重力作用下氣體的分子數密度（單位體積內的分子數）隨高度的分布
其中n(z)和n(0)分別是在高度為z處和地面（重力勢能為0）處的分子數密度。m是氣體分子的質量，g是重力加速度，k是玻爾茲曼常數，T是溫度。對於乙個固定地點來說，g和k都是常數。
不難看出，分子數密度隨著高度增加而指數衰減，衰減的速度與分子質量和溫度有關。乙個典型的例子是大氣環流，在高處溫度較高的熱空氣更多，而在低處溫度較低的冷空氣更多，巨集觀上形成熱空氣向上走，冷空氣向下走的大氣環流。需要提醒的是，大氣的高度差足夠大，可以產生這樣的現象，日常用到的容器高度差太小，同時存在無法避免的擾動，很難觀察到這樣的現象。
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