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  • 氣體質量與體積之間換算需要注意什么?
    小左
    2023 / 10 / 23

    氣體質量流量計的流量單位通常是SCCM(mL/min)、SLPM(L/min),有時候我們需要g/s、g/min,他們之間如何換算呢?

    我們在中學時期就學習過質量和體積的關系:
                                                                     m=ρv
    其中m是質量,ρ是密度,v是體積。這么看來的話質量與體積之間的換算非常簡單,只需要通過密度換算一下就可以了。
    但是使用氣體密度的時候就要非常注意了,氣體是可壓縮的,不同的壓力、不同的溫度下對應的氣體密度都不一樣,因此我們描述氣體密度時通常是:在某個壓力、某個溫度下,某種氣體的密度是多少。
    易度流量計定義的標況流量指的是在101.325kPa、25℃狀況下的氣體體積流量,因此如果要將此標況流量換算成質量單位需要查詢被測氣體在101.325kPa、25℃狀況下的密度,再運用上述公式進行計算。
    如果無法查詢到氣體密度該怎么辦呢?
    別急,即使不知道氣體密度,我們仍然能夠進行氣體質量與體積的換算。這時我們就需要氣體摩爾體積這個概念了。
    首先我們需要知道一個事實:1mol任何氣體在101.325kPa、0℃下的體積都是22.4L,這個體積被稱為氣體的摩爾體積。通過理想氣體狀態方程:
                                                               PV=nRT(公式1)
    我們就可以計算出氣體在101.325kPa、25℃(易度流量計定義的標況)下摩爾體積是24.45L。摩爾其實是個數量單位,1mol氣體指的就是6.02×1023個氣體分子,這么多分子的總質量就稱為這種氣體的摩爾質量,質量與摩爾質量的關系如下:
                                                               m=nM(公式2)
    其中m是質量,n是物質的量,M是摩爾質量。摩爾質量在數值上剛好等于分子量,分子量又等于分子的質子和中子之和,而大部分常見氣體分子的分子式都很簡單,可以直接看出分子量。

    圖:組成氣體分子的元素通常比較靠前,原子量與元素序號有一定聯系

    知道了分子量,也就知道了摩爾質量M;知道了標況流量,也就可以計算出物質的量n,就可以輕松得到氣體質量流量了:
                                                Q質量流量=Q標況流量/24.45×Mr(公式3)
    其中是Mr是分子量。
    可能有的小伙伴到這里有點暈了,沒關系,如果你的流量計設定的標況是101.325KPa、25℃,只要按照上面的公式計算即可,不必在意推導過程。下面我們就來實踐一下吧,看看通過密度計算和通過分子量計算的質量流量結果是否相同。
    例:流量計測得氮氣(N2)流量為100SLPM,計算氮氣的流量是多少克每秒。
    答:
    方法一:查詢氮氣在101.325KPa、25℃時的密度為ρ=1.13 g/L,
    代入公式
                                                                               m=ρv
                                                                   1.13×100÷60=1.88
    則氮氣流量為1.88g/s。
    方法二:氮氣分子量為28,代入公式4:
                                                                   100/60/24.45×28=1.9
    則氮氣流量為1.9g/s。
    可以看到兩種方法計算結果非常接近,他們之間存在約1%的誤差,因為氣體摩爾體積不是精確值,分子量也省略了小數點后的數值,為的是可以方便地計算。
    綜上所述,通過密度計算優點是比較精確,缺點是必須知道氣體在101.325KPa、25℃時的密度,而通過網絡搜索查詢可能會得到錯誤的密度值(大部分網上搜索數據都是101.325KPa、0℃下的氣體密度值)。通過分子量計算缺點是精確度稍差(1%的誤差仍在可接受范圍之內),但優點是不需要查詢氣體密度,大部分常見氣體分子量通過各元素在元素周期表里的排序就能知道。

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