氮气和氧气为什么不分层(大气中氧气和氮气)

导语：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。

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。

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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