土壤气体扩散

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。

土壤气体运动的方式有两种：即对流和扩散，影响土壤气体运动的因素有气象、土壤性质及农业措施，气象因素主要有气温、气压、风力和降雨等。

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。

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 。

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。