标准状况

提示：此条目的主题不是标准状态。

標準溫度與壓力（英語：standard temperature and pressure，簡稱STP），或稱標準狀況，是一組用於實驗測量的標準化環境設定，目的在於讓不同數據間具有可比性。目前最常採用的標準來自國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）與國家標準技術研究所（NIST），但這些標準尚未獲得全球一致認可。其他機構也各自制定了不同的標準定義。

在工業與商業應用中，標準溫壓條件對於氣體與液體體積的表示，以及相關數據如體積流率的表達，至關重要，因為氣體體積會隨溫度與壓力而顯著變化。例如常見的單位包括：標準立方公尺每秒（Sm³/s）與常態立方公尺每秒（Nm³/s）。

許多技術性出版物（如書籍、學術期刊、機械設備廣告）常簡略地標示「標準狀況」，而未明確說明其實際定義；有時甚至以舊用語「常態條件」（normal conditions，簡稱NC）取代。這樣的模糊用法在某些情況下容易引發誤解與錯誤。較為嚴謹的做法，是明確標示所採用的溫壓參考條件。若未特別說明，則通常預設為近似室溫環境：約1個大氣壓、273.15 K（0°C）、以及0%的相對濕度。

定義

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在化學領域，IUPAC於1982年修訂了其對標準溫度與壓力的定義[1][2]：

  • 1982年以前，STP指的是溫度273.15 K（0 °C；32 °F）與絕對壓力1 atm（101.325 kPa）。
  • 自1982年起，STP變更定義為溫度273.15 K（0 °C；32 °F）與絕對壓力1 bar（100 kPa；100,000 Pa）。

NIST所採用的標準則為溫度20 °C（293.15 K；68.00 °F）與絕對壓力1 atm（14.696 psi，101.325 kPa）[3]，這套標準也稱為常態溫度與壓力（normal temperature and pressure，簡稱NTP）。不過，NIST在熱力學實驗中常使用的狀況則是溫度298.15 K（25°C，77°F）與壓力1 bar（14.5038 psi，100 kPa）[4][5]。此外，NIST在針對精煉石油產品進行溫度補償時，使用的標準溫度為15°C（288.15 K，59°F），儘管該機構也指出這兩個標準值彼此並不完全一致[6]。

根據ISO 13443，天然氣與類似流體的標準參考狀況為288.15 K（15.00 °C；59.00 °F）與101.325 kPa[7]；相較之下，美國石油學會採用的狀況為60 °F（15.56 °C；288.71 K）[8]。

過去

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1918年以前，許多採用公制單位系統的專業人士與科學家，將氣體體積的標準參考條件設為15 °C（288.15 K；59.00 °F）與壓力101.325 kPa（1.00 atm；760 Torr）。同一時期，採用英制或美制系統的人們，最常使用的標準條件則是60 °F（15.56 °C；288.71 K）與14.696 psi（1 atm），這套標準幾乎被全球石油與天然氣產業一致採納。上述這些定義現今已不再是兩種單位系統中最普遍使用的標準[9]。

現今用法

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目前世界各地的機構對標準狀況的定義並不一致，使用的版本各式各樣。以下表格僅列出部分例子，實際上還有更多。有些機構在過去使用的是不同的標準。舉例來說，IUPAC自1982年起將標準參考條件定為0°C與100 kPa（1.0 bar），與其早期所採用的0°C與101.325 kPa（1.00000 atm）有所不同[2]。新標準對應的壓力大約為海拔112公尺的平均大氣壓，更接近全球人類居住地的中位海拔（194公尺）[10]。

歐洲、澳洲與南美的天然氣企業，普遍採用15 °C（59 °F）與101.325 kPa（14.696 psi）作為氣體體積的標準參考條件，並將其作為「標準立方公尺」（standard cubic meter）的基準[11][12][13]。此外，國際標準化組織、美國環境保護署及國家標準與技術研究院等機構，在其不同的標準與法規中，也各自採用了不止一種標準參考條件。

标准状况參考條件
溫度 絕對壓力 相对湿度 出版或創立者
°C kPa % RH
0 100.000   IUPAC（1982年之后正在使用的定義）
0 101.325   IUPAC（1982年以前使用的定義）NIST[14], ISO 10780[15]
15 101.325 0[16][7] ICAO's ISA，[16]ISO 13443,[7] EEA，[17] EGIA[18]
20 101.325   EPA，[19] NIST[20]
25 101.325   EPA[21]
25 100.000   SATP[22]
20 100.000 0 CAGI[23]
15 100.000   SPE[24]
°F psi % RH
60 14.696   SPE,[24] U.S. OSHA，[25] SCAQMD[26]
60 14.73   EGIA,[18] OPEC，[27] U.S. EIA[28]
59 14.503 78 U.S. Army Standard Metro[29][30]
59 14.696 60 ISO 2314, ISO 3977-2[31]
°F in Hg % RH
70 29.92 0 AMCA，[32][33] air density = 0.075 lbm/ft³. This AMCA standard applies only to air.

注釋：

  • EGIA：加拿大电力和燃气检验法
  • SATP：标准的环境压力和温度
  • SCAQMD：加州南海岸空气质量管理区

气体摩尔体积

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主条目：摩尔体积

当表示气体的摩尔体积时，要指明适用的温度和压力条件。 在不指明温度和压力条件的情况下，说明气体的摩尔体积几乎没有意义并且可能引起混淆。

通过使用理想气体定律，可以计算在标准状况下的气体摩尔体积。 任何理想气体的摩尔体积可以在各种标准参考条件下计算，如下所示：

  • Vm = 8.3145 × 273.15 / 101.325 = 22.414 dm3/mol （在 0 °C 和 101.325 kPa 下）
  • Vm = 8.3145 × 273.15 / 100.000 = 22.711 dm3/mol （在 0 °C 和 100 kPa 下）
  • Vm = 8.3145 × 298.15 / 101.325 = 24.466 dm3/mol （在25 °C 和 101.325 kPa 下）
  • Vm = 8.3145 × 298.15 / 100.000 = 24.790 dm3/mol （在25 °C 和 100 kPa 下）
  • Vm = 10.7316 × 519.67 / 14.730 = 378.61 ft3/lbmol （在60 °F 和 14.73 psi 下）

参看

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參考資料

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  1. ^ A. D. McNaught and A. Wilkinson. Nič, Miloslav; Jirát, Jiří; Košata, Bedřich; Jenkins, Aubrey; McNaught, Alan , 编. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology (PDF) 2nd. Oxford: Blackwell Scientific Publications. 1997: 54. ISBN 0-632-03583-8. doi:10.1351/goldbook. 氣體的標準條件：……壓力設定為105帕斯卡。原本採用的標準絕對壓力為1 atm（等同於 101.325 kPa），在1982年被調整為100 kPa。IUPAC建議應停止使用舊有的壓力標準。 
  2. ^ 2.0 2.1 A. D. McNaught and A. Wilkinson. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology 2nd. Oxford: Blackwell Scientific Publications. 1997. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.S05921.  已忽略未知参数|entry-url= (帮助); |entry=被忽略 (帮助)
  3. ^ Doiron, Theodore D. 20 Degrees Celsius--A Short History of the Standard Reference Temperature for Industrial Dimensional Measurements. NIST. January 2007, 112 (1): 1–23. PMC 4654601 可免费查阅. PMID 27110451. doi:10.6028/jres.112.001. 
  4. ^ Helrich, Carl S. Modern Thermodynamics with Statistical Mechanics. Springer Science & Business Media. 2008-11-14. ISBN 978-3-540-85418-0 （英语）. 
  5. ^ A Guide to the NIST Chemistry WebBook. webbook.nist.gov. [2020-10-06]. 
  6. ^ Specifications, Tolerances, and Other Technical Requirements for Weighing and Measuring Devices (PDF): 3-1. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 "Natural gas – Standard reference conditions", ISO 13443, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland  ISO Standards Catalogue （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  8. ^ API Petroleum Measurement
  9. ^ Doiron, Ted. 20 °C – A Short History of the Standard Reference Temperature for Industrial Dimensional Measurements. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. Jan–Feb 2007, 112 (1): 1–23. PMC 4654601 可免费查阅. PMID 27110451. doi:10.6028/jres.112.001. 
  10. ^ Cohen, Joel E.; Small, Christopher. Hypsographic demography: The distribution of human population by altitude. Proceedings of the National Academy of Sciences. November 24, 1998, 95 (24): 14009–14014. Bibcode:1998PNAS...9514009C. PMC 24316 可免费查阅. PMID 9826643. doi:10.1073/pnas.95.24.14009 可免费查阅. 
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  12. ^ Nord Stream. Status of the Nord Stream pipeline route in the Baltic Sea (PDF). October 2007 [2008-07-25]. （原始内容 (PDF)存档于2008-02-16）. bcm：為Billion Cubic Meter（十億立方公尺）的縮寫，表示以「標準立方公尺」為單位的氣體體積總量——即在標準條件下（大氣壓為1 atm、溫度為15°C）的一立方公尺氣體。 
  13. ^ Metrogas. Natural gas purchase and sale agreement. June 2004 [2008-07-25]. 「在標準條件下的天然氣」是指在溫度15°C、壓力 101.325 kPa時，所佔體積為1立方公尺的天然氣量。 
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  15. ^ 14:00-17:00. ISO 10780:1994. ISO. [2022-10-15] （英语）. 
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  30. ^ The pressure is specified as 750 mmHg. However, the mmHg is temperature dependant, as mercury expands as temperature goes up. Here the values for the 0-20 °C range are given.
  31. ^ "Gas turbines – Procurement – Part 2: Standard reference conditions and ratings", ISO 3977-2:1997 and "Gas turbines - Acceptance tests", ISO 2314:1989, Edition 2, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland ISO （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  32. ^ ANSI/AMCA Standard 210, "Laboratory Methods Of Testing Fans for Aerodynamic Performance Rating", as implied here: http://www.greenheck.com/pdf/centrifugal/Plug.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆） when accessed on October 17, 2007
  33. ^ The standard is given as 29.92 inHg at an unspecified temperature. This most likely corresponds to a standard pressure of 101.325 kPa, converted into ~29.921 inHg at 32 °F)

外部連結

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