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空气不分层的原理探究:既然氧气比氮气重,大气为什么不会分层?

发表时间:2022/06/05 00:56:02  来源:瞻云  浏览次数:2526  
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空气不分层的最大原因,在于分子的热运动,对流反而是很小的因素。何况单纯的对流,也不足以解释空气为何混合得如此均匀。

既然氧气比氮气重,大气为什么不会分层?背后究竟是什么原理?

为了方便计算,我们假设一份特殊的空气中,排出了其它的气体,只剩下氧气和氮气。也即,阉割后的空气成分为:氧氮比为7:26的混合气体。对于地表1立方米的阉割空气,理论上,更重的氧气会因为重力而下沉,氮气会上升。这也是题主理所当然,认为空气会分层的原因。

完全混合的1立方米氮氧分开,氮气的势能增加为:

分开后,氮气厚度为:

即,0.61m,氮气密度1.25g/L,求得:

虽然氧气和氮气混合,整体上是自发熵增的。

但主要熵增在氧气上,对于氮气来说,它的势能增加,是一个熵减的过程。

混合后,氮气的熵减为:

等常温状态下,氮气的能量变化:

氮气完全分层获的重力势能,远远低于氮氧混合自发熵增时,氮气损失的能量。

由于常规气体之间的密度差异相对不大,势能都远低于自发熵变。

所以,我们可以得出这样的通论:

常规气体,常温常压下,哪怕不受对流的影响,各成分也基本不会分离。

  • 当然,随着气体密度的升高,达到一定地步之后,分成就会逐渐明显。高致密性又不液化,通常需要高温高压。

想要通过降温又不液化,物理分离气体几乎不可能。

既然氧气比氮气重,大气为什么不会分层?背后究竟是什么原理?

空气分子的这个状态,其实也可以用吉布斯自由能进行解释。

对于不受重力影响的氮氧混合气体,它们会随着分子热运动,不断混合,最后达到均匀的地步。这实际就是熵增的方向,分子秩序从有序变成无序而混乱。

空气状态,可以用吉布斯自由能表达:

G = H − TS

H为焓,S为熵。

焓的定义是内能+理想气体状态方程,即,H=U+PV

空气成分下沉过程中,发生焓变和熵变。

ΔG = ΔH − TΔS

在地球上大气并非一个孤立系统,自身的温度总是和地球保持一致,可以认为是一个等温过程。根据理想气体方程:PV=nRT,恒温时,PV不变。

那么对于我们的空气来说,可以简化成:ΔG =ΔU − TΔS

由于空气重力势能,远远低于分子之间的热量变化,ΔG无限接近− TΔS。

所以,空气的分子状态,总是无限接近自发熵增的完全混合状态。


其实,哪怕不考虑自发熵增,氮氧也是不可能完全混合的。假设混合的氮氧气体完全分开,氧气全部处于最下层,氮气处于最上层。

那么,重力势能的变化为:

查证标准大气压氧气密度1.43g/L,氮气密度1.25g/L。

计算得:

这是一个负值,说明氧气完全下降的总重力势能降低,小于氮气上升时的重力势能增加。那么,氮氧中间必然有一部分处于混合状态。

我们假设,静置后的气体从上到下,分成三部分:氮气、均匀混合气体、氧气。

那么,可以求得:

氮气厚度约为:0.42m

均匀混合气体厚度约为:0.45m

氧气厚度约为:0.13m

也就是说,哪怕完全不考虑自发熵增,静止的空气,也至少有50%左右的成分处于混合状态。


总的来说,大气不分层的最根本原因,还是各成分的密度太低,分子热运动又太高了……

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