第三节
气体基本性质

从微观考察气体性质，具有扩散性、流动性、可膨胀压缩性等。

一、气体扩散性

上述讲的气体分子运动的特点，通常是感知不到的，必须通过特殊仪器设备才能检测。但在日常生活中，打开芝麻油瓶，能够闻到油香，汽车加油，能够闻到汽油味道等等现象，使我们感知到油香是从瓶口出来扩散到面前，汽油味道是从加油口扩散出来到面前。气体的这种微观性质，称作气体扩散性。

扩散现象是指相互接触的不同物质，彼此进入对方的现象。

气体扩散性指气体不藉外力（如风力）的协助，其分子渐渐运动而散布至系统内每一角落的过程。

由于气体分子运动的特点，气体分子不断在高速运动，与气体分子本身体积相比，气体间的距离较大，分子间的相互作用力十分微弱。每个分子都可以在空间自由移动，一定质量的气体分子可以充满整个容器空间，可以理解气体的扩散能力很强。

从微观分子角度来讲任何物质都不停地在做无规则运动，这种无规则运动称为布朗运动。布朗运动的特点是：①无规则；②永不停息；③颗粒越小，布朗运动越明显；④温度越高，布朗运动越明显。

正是这种无规则运动使气体分子间彼此能够进入对方，但扩散是一种有方向的规则运动，无规则运动是各向同性的，并且是可以逆向、重复发生的。但扩散现象是有方向性的，是不会逆转的单方向过程。所以扩散都是在有动力作用下发生。

分子扩散是指气体不借外力（如风力）之协助，以浓度差为推动力，使分子从高浓度区向低浓度区的迁移，直到一相内各部分的浓度达到一致或两相间的浓度达到平衡为止，是自然界和工程上最普遍的扩散现象。

（一）菲克（Fick）第一定律

在稳态扩散过程中，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量，用“ J ”表示）与该截面处的浓度梯度成正比。也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大，这就是菲克第一定律。

菲克第一定律的数学表达式如下：

式（2-22）中：

J ——扩散通量，单位为千克/平方米/秒（kg/（m ² ·s））；

D ——扩散系数，单位为平方米/秒（m ² /s）；

C ——扩散气体的体积浓度，单位为千克/立方米（kg/m ³ ）；

x ——扩散层的厚度，单位为米（m）；

——浓度梯度，单位为千克/四次方米（kg/m ⁴ ）或原子数/四次方米（个/m ⁴ ）；

“-”——表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散气体由高浓度区向低浓度区扩散。

根据 D 和 的单位，扩散通量 J 的单位就是kg/（m ² ·s）或原子数/（m ² ·s）。

式（2-22）中的扩散系数 D ，是物质的物理性质之一，表示它的扩散能力。扩散系数是指当浓度梯度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的气体量。在气体中，如果相距1cm（或者每米）的两部分，其密度相差为1g/cm ³ （或者每立方米），则在1秒内通过1cm ² （或者平方米）面积上的气体质量，规定为气体的扩散系数，单位为cm ² /s或者m ² /s。

扩散系数D的计算方法见下式：

式（2-23）中：

D ——扩散系数，单位为平方米/秒（m ² /s）；

T ——热力学温度，单位为开尔文（K）；

P ——总压强，单位为帕斯卡，简称帕（Pa）；

M _A 、 M _B ——气体A、B的摩尔质量，单位为克/摩尔（g/mol）；

V _A 、 V _B ——气体A、B摩尔扩散体积，单位为立方米/摩尔（m ³ /mol）。

扩散系数 D 与气体的浓度无直接关系，与绝对温度的1.5次幂成正比，与压强成反比，它随气体温度的升高及总压强的下降而增大。这可以用气体的分子运动论来解释。随着气体温度升高，气体分子的平均运动动能增大，故扩散加快，而随着气体压强的升高，分子间的平均自由行程减小，故扩散就减弱。当然，按照气体状态方程，浓度与压力、温度是相互关联的，所以扩散系数与浓度是有关的。

常见气体在空气中扩散系数见表2-4，可以看出，气体在空气中扩散系数多在10 ^-4 ～10 ^-5 m ² /s的量级。

菲克第一定律只适应于扩散通量 J 和浓度 C 不随时间变化的稳态扩散场合（图2-5）。对于稳态扩散也可以描述为：在扩散过程中，各处的扩散组分的浓度 C 只随距离 x 变化，而不随时间 t 变化，每一时刻从前边扩散来多少原子，就向后边扩散走多少原子，没有盈亏，所以浓度不随时间变化。

菲克第一定律的数学表达式，可以根据需要，按照气体状态方程，转换为多种形式。

（二）菲克第二定律

实际上，大多数扩散过程都是在非稳态条件下进行的。非稳态扩散的特点是：在扩散过程中，扩散通量随时间和距离变化。通过各处的扩散通量 J 随着距离 x 在变化。对于非稳态扩散，就要应用菲克第二定律了。

菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离 x 处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。

菲克第二定律的数学表达式如下：

式（2-24）中符号和单位同式（2-22）。

（三）气体扩散定律（也称格拉罕姆定律）

同温同压下各种不同气体扩散速度与气体密度的平方根成反比。即：气体密度越大，扩散速度越慢，反之，气体密度越小，扩散速度越快。扩散速率可以理解为同样时间内扩散的体积比。

用公式表达为：

式（2-25）中：

U _A 、 U _B ——气体A、B的扩散速度，单位为米/秒（m/s）；

ρ _A 、 ρ _B ——气体A、B的密度，单位为千克/立方米（kg/m ³ ）。

通常情况下，气体密度的数据不容易找到，但气体摩尔质量很容易查到，由气体状态方程可知同温同压下气体密度比等于气体摩尔质量比。

推导如下：

由气体状态方程 PV = nRT 得，

在压强 P 和温度 T 一定下， 是定值，假设为K

由此可知：

式（2-26）中：

M _A 、 M _B ——气体A、B的摩尔质量，单位为克/摩尔（g/mol）；

其他同（2-25）。

由式（2-26）可知，同温同压下各种不同气体扩散速度与气体摩尔质量的平方根成反比。

例如，氧气和氢气，其摩尔质量分别是32和2，那么

表明在同温同压条件下，氢气扩散速度是氧气扩散速度的4倍。

由此可以将气体扩散定律理解为：同温同压下各种不同气体扩散速度与气体摩尔质量的平方根成反比。气体摩尔质量越大，扩散速度越慢，反之，气体摩尔质量越小，扩散速度越快。

依据格拉罕姆定律，只要知道一种气体在空气中的扩散速度，就可以推算其他气体的扩散速度。

（四）气体的扩散公式

在“气体分子运动速率及分布”中，知道气体分子运动平均速率是很快的，和声速是一个数量级的。但是当打开香油瓶盖，瞬间就听到开瓶盖的声音，却不能在瞬间闻到油香，要在相对更长的时间之后才会闻到。由此可以知道，气体分子扩散速率比运动平均速率小得多，那么究竟扩散速率有多大呢？

克劳修斯提出分子碰撞的问题解决了人们的疑惑，因为分子会和空间中分布的数密度很大的其他分子发生很多次碰撞才传播出去。从而使分子经历了十分曲折的路径，导致气体分子平均速率很大但是扩散速率却很小。

布朗粒子运动的扩散公式，可用数学推导，得出了扩散距离与时间的关系，气体分子的扩散公式，即：

式（2-27）中：

——扩散距离，单位为米（m）；

D ——扩散系数，单位为平方米/秒（m ² /s）；

t ——扩散时间，单位为秒（s）。

式（2-27）表明，扩散距离 与时间的开方成正比。

的关系图像如图2-6所示，依图像可以得出，100秒内气体在空气中大约可以前进3cm，这与气体分子运动平均速率每秒几百米相差很大。

二、气体流动性

流动是指物体中部分物质位置的变化，是部分物质的整体迁移运动。例如水体中一部分水从左边流到了右边，表示这部分水整体位置从左边迁移到了右边。气体流动性指气体中部分气体在外力作用下发生位置迁移的现象，也称输运现象。

气体由于分子或原子间的距离很大，它们之间的引力可以忽略，因此气体的黏滞性很小，流动性很强，输运能力很强。

气体流动性和扩散性既有相似又有差别，相似的部分，都是气体分子之间的相互渗透；差别的是，渗透方式不同，扩散性是单个分子间无规则的相互进入，流动性是成团分子整体定向移动，成团分子从一个地方输运到另一个地方，气体中各部分为相对运动。

因为气体具有流动性，在外力的作用下，就产生了气体对流、平流、紊流、湍流等扩散现象。对流扩散是依靠外力（如风力）作用，使气体成团分子整体迁移运动的现象。

对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于浓度差或者温度差引起密度变化而产生的对流。气体内的温度梯度会引起密度梯度变化，若低密度流体在下，高密度流体在上，则将在重力作用下形成自然对流。强迫对流是由于外力的推动而产生的对流，如风迫使空气流动，带动树木晃动。

空气的水平运动称为风。风是平流扩散的主要动力，风对气体有害物质起到整体输送作用，对气体的扩散有着十分重要的作用。风速决定对流扩散速度，风级与风速的关系见表2-5。

湍流是指气流在三维空间内随空间位置和时间的不规则涨落，伴随着流动的涨落，气体中各种物质都呈无规则涨落。换言之，空气的无规则运动，谓之大气湍流。湍流具有随机性。湍流对气体有害物质起到混匀作用。

三、气体压缩膨胀性

热胀冷缩是物体的一种基本性质，物体在一般状态下，受热以后会膨胀，在受冷的状态下会缩小。

物体受压力和温度的影响，具有压缩性和膨胀性。当压力增高时，其密度增加而体积变小，反之，当压力减小时，其密度减小而体积变大；当温度升高时，其密度减小而体积变大，反之，当温度降低时，其密度增加而体积变小。

气体的压缩膨胀性是指气体的体积可以利用外力来改变。在其他条件不变的情况下，加压气体体积变小，减压气体体积变大；加热气体体积变大，降温气体体积变小。由于气体的各分子之间的间距很大，压缩膨胀性更显著。

四、气体热扩散

以温度差为推动力的扩散称为热扩散。

热扩散现象：将装有A、B两种气体分子均匀混合物的封闭容器，在左右两端分别连接 T ₁ 和 T ₂ （ T ₁ > T ₂ ）两个温度不同的热储时，热流就从气体混合物中通过。经过一段时间后，由于热流的影响，A、B两种气体分子就会分别优先聚集在容器的两端。从实验观察和分子动力学角度可以知道通常较轻的分子倾向于集中在较高温度的区域，较重的分子倾向于集中在较低温度的区域，结果原来均匀的气体混合物就会变成不均匀，并在容器中形成一个有浓度梯度的非平衡定态（图2-7），这种现象又称为沙莱特效应。

扩散是指从高浓度到低浓度正向扩散的现象，而热扩散是指从均匀混合物变成不均匀的反向扩散（或分离）的现象。 4lOU98xkU1HuA3Ip7w6NQPUCsjPhojGNrQF1XUv7QwV8j0zP0VfaRQZ0e3v8Wsd2