标况体积

定义

标况体积指气体在标准状况下所占的体积，其中的标准状况是物理学与化学中约定的温度、压力基准，通常取 0 ℃(273.15 K)与 101.325 kPa，后者等于 1 标准大气压，也写作 760 毫米汞柱^[1]。设定这一基准的原因是地表各处乃至同一地点不同时刻的温度、压力都不相同，气体体积缺少统一条件便无从比较^[1]。除非另有说明，气体的密度一般也指标准状况下的数值^[1]。

在标准状况下，1 摩尔任何理想气体所占的体积约为 22.4 升，这个体积称为气体摩尔体积^[2]。按 CODATA 2002 的数据，其更精确的取值为 22.413996 升每摩尔^[1]。标况体积可用升或立方米表示，工业计量中常写作标准立方米，符号为 Nm³，以区别于工作状态下的实际体积 m³。

原理

标况体积与工作状态体积之间的换算以理想气体状态方程为基础。对一定量的气体，体积与热力学温度成正比、与绝对压力成反比，两种状态之间满足 $P_1V_1/T_1=P_2V_2/T_2$，流量计测得的工况体积流量即按此式折算为标准状态下的流量^[3]。

由状态方程可得到摩尔体积与温度、压力的关系 $V_m=RT/p$。取气体常数 R 为 8.3145 焦耳每摩尔每开尔文，在 0 ℃、101.325 kPa 下算得 $V_m$ 为 22.414 立方分米每摩尔；若压力取 100 kPa，结果则为 22.711 立方分米每摩尔^[1]。

各种气体在标准状况下的摩尔体积接近，是因为同温同压下分子间的平均距离大致相同，体积主要由分子的数目决定，这一规律即阿伏伽德罗定律，标准状况下的摩尔体积可视为它的一个具体情形^[4]。真实气体的分子本身占有体积，分子之间还存在作用力，实测摩尔体积会与理想计算值出现偏差^[5]。

发展历程

1811 年，意大利科学家阿伏伽德罗提出同温同压下相同体积的气体含有相同数目分子的假说，该假说在他生前没有得到承认，直到他去世后才被实验逐步证实，并被称作阿伏伽德罗定律^[4]。气体摩尔体积的概念正是在这一基础上形成的。

1954 年，第十届国际计量大会把 0 ℃(273.15 K)与 101.325 kPa 确定为气体体积计量的基准条件，此后被各国科技领域广泛采用。国际标准化组织与美国国家标准则采用 15 ℃、101.325 kPa 作为计量气体体积流量的标准状态。

国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)现行的定义把标准压力取为 100 kPa，相应的摩尔体积为 22.711 升每摩尔；该组织同时指出，以标准状态下单位时间气体体积标定的流量计，往往以 25 ℃ 而非 0 ℃ 为参考^[6]。我国的《天然气流量的标准孔板计算方法》规定天然气体积计量采用 20 ℃、101.325 kPa，《城镇燃气设计规范》则采用 0 ℃、101.325 kPa。

应用

在化学计算中，已知标准状况下的体积，即可由 22.4 升每摩尔求算气体的物质的量，也可以由此求得气体密度并推算相对分子质量^[2][4]。

化工、天然气与城市燃气行业普遍以标准立方米计量气体产量和流量：流量计先测得工况体积，再经温度和压力换算为标况体积，使不同地区、不同季节的数据可以相互比较；压缩机、风机等设备的选型样本也常给出标况下的排量^[7]。

环境监测中，废气污染物浓度统一换算为标准状态下的干烟气数值，再按各行业规定的基准氧含量折算，作为判断排放是否达标的依据；气体浓度由 ppm 换算为毫克每立方米时，同样使用 22.4 升每摩尔这一数值^[8][9]。

局限

标准状况的压力条件较为统一，温度条件却因行业和国别而不同，0 ℃、15 ℃、15.6 ℃ 与 20 ℃ 都在使用，同一份体积数据若未注明温度基准便可能造成误解，例如 20 ℃ 下的 1 立方米折合 0 ℃ 下约 0.932 立方米。

22.4 升每摩尔是近似值，并且建立在理想气体模型之上，真实气体在高压、低温条件下偏离较大，精确换算往往需要引入压缩因子加以修正^[2][5]。

标况体积只适用于气态物质，标准状况下水呈冰水混合状态，其体积不能用 22.4 升每摩尔描述^[2]。各类排放标准规定的浓度限值都以标准状态下的干烟气为基准，含有水汽的烟气不能直接与限值比较^[10]。

参见

• 标准状况 —— 标况体积所依据的温度与压力基准。

• 气体摩尔体积 —— 单位物质的量的气体在标准状况下所占的体积。

• 理想气体状态方程 —— 标况体积与工况体积互相换算所用的基本关系式。

• 阿伏伽德罗定律 —— 说明同温同压下气体体积与分子数关系的定律。

• 标准立方米 —— 工业计量气体体积时表示标况体积的常用单位。