如果在輪胎裡充上氮氣,氫氣或者氦氣會有什麼改變?

認真閱讀，你還能了解到烈日下使輪胎爆胎的真正元兇是誰。

處於安全和維護的原因，在飛機和賽車上會選擇用氮氣來給輪胎充氣或者有時候也會用於液壓系統的壓縮和膨脹氣體。

那麼，對於自行車來說，使用不同類型的氣體而不是空氣來為我們的輪胎充氣，會不會提供好處嗎？

實際上，除了普通的空氣外，只有少量的氣體是可以用來給輪胎充氣的。下邊讓我們來看看是為什麼。

氦氣在輪胎中起的作用並沒有像你希望的那麼多

如果你還能背下來元素周期表的前幾個，那麼你應該會知道，氫和氦是目前已知的最輕的原子，在自然界中發現的最小的雙原子分子是氫氣（H2）。其他雙原子分子還有氧（O2），一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）。我們呼吸的空氣中大約含有78%的氮和21%的氧，剩下的為氬氣和其他少量氣體。

在這這種情況下，氫氣和氦氣由於其最輕的特性，特別是氫氣，感覺應該是我們潛在的選擇對象。

但是，現實情況是，在給輪胎裡充上氫氣的情況下，氫氣會比空氣在輪胎中的洩漏速度快的多。這並不是因為氫原子是最小最輕，而更容易從丁基化合物（內胎的主要成分）中滲透出來。而是因為氫氣比其他的氣體更容易混合到內胎的管壁中並擴散出去。事實上，如果你無法輕易獲得用氫氣或者氦氣來給輪胎充氣，那麼這些氣體會在你不斷地補充過程中，從你的輪胎裡消失殆盡。

為了證明確實和分子大小無關，我們來看看co2（二氧化碳），這也是一種常用的氣體，比如我們的二氧化碳氣瓶。

雖然他具有更高的分子量和尺寸，但是已經確實證明，他也會因為和丁基橡膠有更高的溶解度，而比那些比它小的分子更容易洩漏。因此，用二氧化碳給輪胎充氣也會比常規空氣維持的時間更短。

氮氣是否才是最好的替代品？

氮氣最常用於飛機和賽車的輪胎充氣，因為它比空氣更加乾燥。由於在這種極端使用環境下，即使空氣中的一些游離水分子也足以在使用中帶來一定的危險了。

其次，氮的化學穩定性更好。儘管氮氣不是絕對意義上的惰性氣體，但是它被認為是最不容易和其他化學元素發生反應的元素，而空氣中含有的氧氣就很活潑。

下邊，讓我們在極端條件下來評價一下輪胎可能發生的狀況，來看看在自行車輪胎中充入氮氣是否有必要。

l 壓力隨著溫度變化而變化

常規空氣的體積會隨著熱量和壓力而變化。在空氣中會含有一定量的蒸汽狀態的水（以氣體和液體兩種狀態存在）。當溫度升高時，水分變成氣體蒸汽，這會在某一點上導致氣體容量急劇增加。這種變化是建立在在氣體正常膨脹率的基礎上的，一種需要壓力穩定的不良現象。（烈日下爆胎就是此原因）。

空氣中的游離水分子

如果在賽車上使用普通空氣，那麼主要問題就是如何讓水分在輪胎中保持穩定。而通過使用乾燥空氣，可以解決賽車輪胎中的大多數輪胎性能和安全問題，因為基本輪胎內不存在水。據報導，一級方式比賽中給輪胎充氣，只會使用帶有水提取器的壓縮機。

別緊張，上圖的火災時由燃料管線損壞引起的

在輪胎和地面摩擦的極端狀態下，第一優選的是氮氣。氮氣在美國納斯卡汽車賽上非常的受歡迎，因為普通空氣中的水蒸氣膨脹和氧氣易和高溫橡膠化合物發生反應的情況都可以避免，可以有效的防止爆胎。

而當輪胎裡被充入大量的空氣時（胎壓更高），也就意味著空氣中的游離水會因為溫度變化而對胎壓的影響更大。比如在飛機上就是如此。常規情況下，飛機的胎壓會在170-210Psi，大量的空氣被壓縮在狹小的空間內，這種變化會更加的明顯。

自行車輪胎不像騎車輪胎那樣容易因為摩擦升溫。對於自行車輪胎而言，氣體的體積通常很小而壓力則比較高。其中的即使含有游離的水分子也不會引起劇烈的變化，在通常的使用環境下，內部的溫度已經很低了，這不會引起膨脹。

而常見的烈日照射下的爆胎，通常是由於壓力不在安全範圍內所導致，並通常出現在過去的老式或者通勤車上，因為對於胎壓的判斷往往是不夠準確的（曾有車友誤以為某品牌管胎胎壓可以打到210，實際最高140，即使這種情況下，也使用了非常久的時間才出現爆胎）。另一種情況就是老式的內胎容易因為氣嘴密封性差而導致進水。這才是主要原因。

在正常範圍內，即使是在炎熱狀態下使用自行車長時間高速下坡，由於溫度變化所引起的胎壓變化也是非常微小的。

易燃

飛機在起飛和降落時，輪胎的溫度和壓力會發生劇烈變化。這會增加輪胎的溫度和輪胎內水蒸氣含量的變化，其中還會伴隨著其他橡膠蒸汽和金屬元素等，當有足夠的氧氣時，就會發生爆炸性膨脹。加上橡膠化合物是高度依然品。所以在這種狀況下，使用氮氣則會更加保險、安全。並且大量氮氣還可以阻斷燃燒。

輪胎的壽命

如果氣體不夠乾燥，空氣中含有的水就會和氧氣一起加速氧化反應。而氮氣可以防止部件從內部生鏽，因為沒有氧氣可以和其他元素發生化學反應，而氮氣也可以通過帶有水提取器壓縮機保持乾燥。

比如在液壓預充系統，滅火器中使用惰性氣體就很重要。

這裡不討論免充氣輪胎

另外需要注意的是，輪胎內的氧化反應是一個很長期的過程，考慮到自行車和普通汽車輪胎的使用環境和更換頻率，其實這點也是可以忽略的。

胎壓維持

在開頭我們提到了兩個例子，最小分子的氫氣和更大分子的二氧化碳都無法維持長時間的胎壓穩定，那麼氮氣能否保持更持久呢？

實際上，在文章開頭我們已經說了，空氣本身是由78%的氮氣構成的，所以，沒有人認為剩下的22%的氧氣和其他氣體會帶來顯著的差異。

而且氮原子也比氧原子更小，更輕，在輪胎內部保持的時間也更長，（也有另一種結果是氧氣分子的半徑小於氮氣分子，不過也有另一種說法是由於氮分子之間的電子鍵比氧分子多，所以分子半徑也更小，這裡就不多做討論了，大家可以下邊自行研究）。這和學多汽車維修廠的認為的理論不同，他們聲稱氮原子的體積更大，才是保持輪胎可以保持更長時間胎壓的原因。

而分子的半徑更大，並不是導致氮氣更不容漏氣的原因（注意兩者的半徑計量單位是納米），而是由於它不太容易和橡膠化合物反應並滲透。所以溶解度越差，氣體保持的時間也會越久，加上空氣中更多的氣體就是氮氣，所以結果可想而知。

一般情況下如果給輪胎充氮氣，最多可延長10%--20%的充氣時間。據說通過把輪胎內的普通空氣更換為氮氣，可以讓胎壓維持更久，進而可以讓輪胎磨損更加均勻，並可以有更高效的動力轉化率。

不過這可能需要在更高的溫度和更高的壓力下才會有顯著效果。就目前來看，沒有任何研究表明在日常使用狀態下，給輪胎充氮氣會比充空氣有顯著的燃油經濟性，不過如果很便宜，當然是可以考慮的。

重量

氧氣的重量為32g/mol，氮氣重量為28g/mol。由於空氣中氮氣含量約為78%，所以平均重量為28.9g/摩爾，這意味著和空氣相比，你可以節約3%的重量，前後輪胎約可以減少1g。而理論上如果使用氫氣和氦氣的話，最終可以減少18g，不過不幸的是就想文章開頭提到的，這兩種氣體都沒有辦法維持輪胎壓力。

所以，對於自行車而言，氮氣？還是呵呵一笑而過吧。試想一下，如果你的輪胎裡每次都是氧氣滲透的更快的話，那麼在經過十到二十次的補充氣體後，是不是輪胎內的氮氣含量就會更高了呢？想一下，究竟有沒有這種可能？

好了，今天的內容就到這裡了，我們下期節目再見，單車基械匠，每天給您帶來更多新奇，好玩，有趣，實用的單車知識。