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气体质量与体积之间换算需要注意什么?

时间:2023-11-27      点击次数:993

气体质量流量计的流量单位通常是SCCM(mL/min)SLPM(L/min),有时候我们需要g/s、g/min,他们之间如何换算呢?

图片2.png


我们在中学时期就学习过质量和体积的关系:

m=ρv

其中m是质量,ρ是密度,v是体积。这么看来的话质量与体积之间的换算非常简单,只需要通过密度换算一下就可以了。

但是使用气体密度的时候就要非常注意了,气体是可压缩的,不同的压力、不同的温度下对应的气体密度都不一样,因此我们描述气体密度时通常是:在某个压力、某个温度下,某种气体的密度是多少。

易度流量计定义的标况流量指的是在101.325kPa、25℃状况下的气体体积流量,因此如果要将此标况流量换算成质量单位需要查询被测气体在101.325kPa、25℃状况下的密度,再运用上述公式进行计算。

如果无法查询到气体密度该怎么办呢?

别急,即使不知道气体密度,我们仍然能够进行气体质量与体积的换算。这时我们就需要气体摩尔体积这个概念了。

首先我们需要知道一个事实:1mol任何气体在101.325kPa、0℃下的体积都是22.4L,这个体积称为气体的摩尔体积。通过理想气体状态方程:

PV=nRT(公式1)

我们就可以计算出气体101.325kPa、25℃(易度流量计定义的标况)下摩尔体积是24.45L。摩尔其实是个数量单位,1mol气体指的就是6.02×1023个气体分子,这么多分子的总质量就称为这种气体的摩尔质量,质量与摩尔质量的关系如下:

m=nM(公式2)

其中m是质量,n是物质的量,M是摩尔质量。摩尔质量在数值上刚好等于分子量,分子量又等于分子的质子和中子之和,而大部分常见气体分子的分子式都很简单,可以直接看出分子量。

图片3.png

 

图:组成气体分子的元素通常比较靠前,原子量与元素序号有一定联系

知道了分子量,也就知道了摩尔质量M;知道了标况流量,也就可以计算出物质的量n,就可以轻松得到气体质量流量了:

Q质量流量=Q标况流量/24.45×Mr(公式3)

其中是Mr是分子量。

可能有的小伙伴到这里有点晕了,没关系,如果你的流量计设定的标况是101.325KPa、25℃,只要按照上面的公式计算即可,不必在意推导过程。下面我们就来实践一下吧,看看通过密度计算和通过分子量计算的质量流量结果是否相同。

例:流量计测得氮气(N2)流量为100SLPM,计算氮气的流量是多少克每秒。

答:

方法一:查询氮气101.325KPa、25℃时的密度为ρ=1.13 g/L,

代入公式

m=ρv

1.13×100÷60=1.88

则氮气流量为1.88g/s。

方法二:氮气分子量为28,代入公式4:

100/60/24.45×28=1.9

则氮气流量为1.9g/s。

可以看到两种方法计算结果非常接近,他们之间存在约1%的误差,因为气体摩尔体积不是精确值,分子量也省略了小数点后的数值,为的是可以方便地计算。

综上所述,通过密度计算优点是比较精确,缺点是必须知道气体在101.325KPa、25℃时的密度,通过网络搜索查询可能会得到错误的密度值(大部分网上搜索数据都是101.325KPa、0℃下的气体密度值)。通过分子量计算缺点是精确度稍差(1%的误差仍在可接受范围之内),但优点是不需要查询气体密度,大部分常见气体分子量通过各元素在元素周期表里的排序就能知道。