重力让气体分层，热运动让气体混合。但是重力势能跟分子热运动能量相比实在太小了，所以在日常生活的高度范围内，完全看不出氧气跟氮气的分层。
根据能量均分原理，室温（T=300K）下理想气体的平动能为:
氧气跟氮气分子之间质量相差 4g/mol，换成国际单位是
每分子，重力加速度为
。因此热动能换算成高度差的结果是：
换句话说，需要差不多 100km 的高度，才能使 O2-N2 之间的重力势能差跟热能势均力敌。
所以，如果把视野拉到 100km 这个尺度下，还是能看出明显的气体分层的。下图[1]给出了常见大气组分在不同高度的占比。由于 O2-N2 还没怎么分层就出现 O 电离了，不是很好讨论。这里不妨把目光放到 500~900km 之间，可以看到比较明显的 O-He 分层。
从另一个角度出发，如果在高重力环境下，比如高速离心机中，气体的分层也会比较明显。这一原理往往被用于核燃料浓缩，即通过气体离心机来分离铀 235 和铀 238。
题中提到的其他几个问题：
为什么油水之间可以分层？你可以理解成油和水之间存在很强的化学排斥能，这个能量比热运动的能量大很多，因此热运动不足以让它们混合在一起。也就是说，油 - 水之间的分离跟重力关系不大，即使放到无重力环境下，油和水之间也是泾渭分明的。
为什么粉尘有的可以分层有的不分层？这其实是另一个问题，粉尘本身并不会跟空气混合（单个粉尘颗粒跟空气的界面是非常明确的），平常看到的雾霾其实类似于把油跟水迅速搅拌后的状态，整体上看似均匀混合，但放大一看二者仍然泾渭分明。并且这是一个非平衡状态，在密闭环境下静置足够久，粉尘都会落到底部去。
微信扫一扫 
