空氣不分層的原理探究：既然氧氣比氮氣重，大氣為什么不會分層？

空氣不分層的最大原因，在于分子的熱運動，對流反而是很小的因素。何況單純的對流，也不足以解釋空氣為何混合得如此均勻。

為了方便計算，我們假設一份特殊的空氣中，排出了其它的氣體，只剩下氧氣和氮氣。也即，閹割后的空氣成分為：氧氮比為7：26的混合氣體。對于地表1立方米的閹割空氣，理論上，更重的氧氣會因為重力而下沉，氮氣會上升。這也是題主理所當然，認為空氣會分層的原因。

完全混合的1立方米氮氧分開，氮氣的勢能增加為：

分開后，氮氣厚度為：

即，0.61m，氮氣密度1.25g/L，求得：

雖然氧氣和氮氣混合，整體上是自發(fā)熵增的。

但主要熵增在氧氣上，對于氮氣來說，它的勢能增加，是一個熵減的過程。

混合后，氮氣的熵減為：

等常溫狀態(tài)下，氮氣的能量變化：

氮氣完全分層獲的重力勢能，遠遠低于氮氧混合自發(fā)熵增時，氮氣損失的能量。

由于常規(guī)氣體之間的密度差異相對不大，勢能都遠低于自發(fā)熵變。

所以，我們可以得出這樣的通論：

常規(guī)氣體，常溫常壓下，哪怕不受對流的影響，各成分也基本不會分離。

• 當然，隨著氣體密度的升高，達到一定地步之后，分成就會逐漸明顯。高致密性又不液化，通常需要高溫高壓。

想要通過降溫又不液化，物理分離氣體幾乎不可能。

空氣分子的這個狀態(tài)，其實也可以用吉布斯自由能進行解釋。

對于不受重力影響的氮氧混合氣體，它們會隨著分子熱運動，不斷混合，最后達到均勻的地步。這實際就是熵增的方向，分子秩序從有序變成無序而混亂。

空氣狀態(tài)，可以用吉布斯自由能表達：

G = H ? TS

H為焓，S為熵。

焓的定義是內(nèi)能+理想氣體狀態(tài)方程，即，H=U+PV

空氣成分下沉過程中，發(fā)生焓變和熵變。

ΔG = ΔH ? TΔS

在地球上大氣并非一個孤立系統(tǒng)，自身的溫度總是和地球保持一致，可以認為是一個等溫過程。根據(jù)理想氣體方程：PV=nRT，恒溫時，PV不變。

那么對于我們的空氣來說，可以簡化成：ΔG =ΔU ? TΔS

由于空氣重力勢能，遠遠低于分子之間的熱量變化，ΔG無限接近? TΔS。

所以，空氣的分子狀態(tài)，總是無限接近自發(fā)熵增的完全混合狀態(tài)。

其實，哪怕不考慮自發(fā)熵增，氮氧也是不可能完全混合的。假設混合的氮氧氣體完全分開，氧氣全部處于最下層，氮氣處于最上層。

那么，重力勢能的變化為：

查證標準大氣壓氧氣密度1.43g/L，氮氣密度1.25g/L。

計算得：

這是一個負值，說明氧氣完全下降的總重力勢能降低，小于氮氣上升時的重力勢能增加。那么，氮氧中間必然有一部分處于混合狀態(tài)。

我們假設，靜置后的氣體從上到下，分成三部分：氮氣、均勻混合氣體、氧氣。

那么，可以求得：

氮氣厚度約為：0.42m

均勻混合氣體厚度約為：0.45m

氧氣厚度約為：0.13m

也就是說，哪怕完全不考慮自發(fā)熵增，靜止的空氣，也至少有50%左右的成分處于混合狀態(tài)。

總的來說，大氣不分層的最根本原因，還是各成分的密度太低，分子熱運動又太高了……