Почему дым из трубы расширяется кверху?

Из-за диффузии.
Равновесное состоянием любой системы - когда везде всего поровну. Попробуйте просто капнуть каплю чернил в стакан воды - она начнёт расплываться, и в конце концов вода станет равномерно окрашенной. Механизм установления ровномерной концентрации частиц краски из чернил - броуновское движение, а сам процесс распространение частиц примеси в среде из-за градиента концентрации называется диффузией.
Вот ровно это мы тут и наблюдаем: то, что видно на картинке, - не дым, а пар, образованный мельчайшими капельками воды (ну, строго говоря, вода в капельках жидкая, так что называть её паром не совсем корректно) . И раз в потоке воздуха, выходящем из трубы, концентрация капелек воды выше, чем в окружающем воздухе, то эта вода норовит размазаться по окружающему пространству. Ну а поскольку одновременно с этим капельки увлекаются вверх потоком тёплого воздуха, то у нас получается как в осциллографе - развёртка по вертикали. Фактически направление вверх в этом случае оказывается шкалой времени.

а потому, почему и есть смысл в высоких трубах--соединение областей с разным давлением. Значит, вверху газ будет расширяться.

Струя горячего дыма, остывая, притормаживает свой подъем. Снизу поступают все новые порции дыма. Не имея возможности подняться вверх, дым расходится в стороны. Расширение кажущееся, наоборот дымовые газы наверху, остывая, сжимаются, как и любой газ.