气体扩散相关理论

分子动理论

人们从分子运动的微观模型出发，给出某些简化的假定，结合概率和统计力学的知识，提出了气体分子动理论，其主要如下：

（1）气体是由分子组成的，分子是很小的粒子，彼此间的距离比分子的直径大许多，分子体积与气体体积相比可以略而不计。

（2）气体分子以不同的速度在各个方向上处于永恒的无规则运动之中。典型事例是扩散现象、布朗运动。

（3）除了在相互碰撞时，气体分子间相互作用是很微弱的，甚至是可以忽略的。

（4）气体分子相互碰撞或对器壁的碰撞都是弹性碰撞。

（5）分子的平均动能与热力学温度成正比。

（7）分子间存在着相互作用力。分子间同时存在着引力和斥力，引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，但斥力的变化比引力快，实际表现出来的是引力和斥力的合力。

扩散率计算

扩散率是用精密天平称量扩散管在一定的时间间隔内质量的损失而测得的，并按下式计算。

式中Dr--扩散率，μg/min;

m--扩散管的失重量，g;

t--称量的时间间隔，min。

若已知扩散率Dr(实测值)和稀释气的流量，则可按下式计算标准气体的组分含量。

式中C--标准气体含量，μg/L

Dr--扩散率，μg/min;

F--稀释气体流量，mL/min；

k--由气体的种类所决定的常数，k=22.4W×(273 t)×1273×P/760；

w--组分气体的相对分子质量；

t--温度，℃

P--大气压，mmHg。

分离气体混合物的一种方法。根据气体分子运动学说和气体扩散定律，当气体混合物是在容器内时，轻分子的运动速度快，撞击器壁的机会多；重分子的运动速度慢，撞击器壁的机会少。如果器壁具有无数微孔，每孔只容许分子单独通过，则轻分子通过器壁的机会一定比重分子多。

扩散结果是器内的轻分子相对地减少，富集于器外；器内的重分子相对地增加，并富集于器内。因此可以得到一定程度的分离。这种方法主要用于分离同位素。对分子量相差很小的混合气体，如铀235和铀238的六氟化物，必须连续进行多次，才能达到所需要的分离程度。

气体分子在做无规则的热运动。

扩散是由于微粒（分子、原子等）的热运动而产生的物质迁移现象。可由一种或多种物质在气、液或固相的同一相内或不同相间进行，主要由于浓度差，也可由于温度差和湍流运动等。

微粒从浓较大的区域向较小的区域迁移，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。

扩散速度在气体中最大，液体中次之，固体中最小。浓度差愈大，微粒质量愈小，温度愈高，扩散也愈快。

在气体扩散层中主要进行着反应气体的传递、反应产物的转移以及电子的传输。考察扩散层的性质即主要考察这三方面的传递能力。一般除了通过从极化曲线上直接分析扩散层性能外，人们还建立了一些物理手段来表征扩散层的性质，主要包括扩散层的流体传输特性、导电性、孔结构以及亲/疏水特性等 。

气体扩散层流体传输特性

气体扩散层中的流体主要是反应气体、水蒸汽和液态水。气体在扩散层中的主要传递方式为扩散，还包括部分的对流传质。气体扩散层中的有效扩散系数D_eff是对扩散系数D的修正，与曲率τ成反比，与孔隙率ε成正比，一般近似地写为

气体扩散层孔结构

孔隙率、孔分布和孔体积是衡量扩散层孔结构的重要参数。常用的孔结构测量仪器有压汞仪和毛细管流动孔隙仪。前者以汞作润湿液，应用一定的压力将汞压入待测样品的孔中。后者采用低表面能的硅树脂（silwick）为介质，在毛细力的作用下润湿待测样品后再加压迫使其流出孔道。但是两种方法都不能反映电池运行时扩散层内的真实物质传输通道，因为气体扩散层材料里的非连通孔是对物质传输没有意义的，而在采用压汞法或毛细管流动孔隙仪测量时断孔、死孔都是包含在内的 。

气体扩散层亲/疏水性质

扩散层的液体润湿性即其亲/疏水性质也是影响燃料电池性能的重要因素之一。适宜的亲/疏水孔比例有利于改善传质、提高极限电流密度。表征扩散层的亲/疏水性质有两种方法：一是浸渍法，直接表征其亲水孔和疏水孔孔体积；二是测量接触角法，间接表征亲/疏水性质 。

气体扩散层导电性

扩散层的导电性，根据测量方向的不同，一般有两种测量方式。对through-plane方向即扩散层的厚度方向，一般采用加压测量接触电阻的方法，而对于in-plane方向的电阻多采用四点探针法 。

在土壤气体的组成中，CO₂的浓度高于大气，而O₂的浓度低于大气，在浓度梯度的作用下，驱使CO₂气体分子不断从土壤中向大气扩散，同时使O₂分子不断从大气向土壤气体扩散。

O₂和CO₂在土壤中的扩散过程，部分发生在气相，部分发生在液相。通过充气孔防扩散保持着大气和土壤间的气体交流作用，为气相扩散；而通过不同厚度水膜的扩散、则为液相扩散，这两种扩散过程都可以用费克(Fick)定律表示。根据费克定律，气体的扩散速率(dQ/dt)和该气体的浓度梯度(dc/dr)以下式表示:

式中，q_d表示扩散通量(单位时间通过单位面积扩散的质量); D表示在该介质中的扩散系数(其量纲为面积/时间)；c表示某种气体(O₂或CO₂)的浓度(单位容积扩散物质的质量)；x表示扩散的距离；dc/dx表示浓度梯度，对于气体来说，其浓度梯度常用分压梯度表示，则：

式中，B表示偏压与浓度的比。

扩散系数D代表气体在单位分压梯度下(或单位浓度梯度下)，单位时间通过单位面积土体剖面的气体量。D值的大小取决于土壤性质、同一土壤在同样的条件下，不同气体的扩散系总是不同的，如O₂的扩散系数比CO₂约大1.25倍，不同压力和温度下的气体扩散系数变化也较大。

由于土壤孔隙的曲折复杂，一般来讲，气体在土壤中的扩散系数D，明显地小于其化空气中的扩散系数(D)，它们的具体数值因土壤的含水量、质地、结构、松紧程度、上层排列等状况而异，一般情况下，扩散作用是土壤与大气交换的主要机制。