氣體質(zhì)量與體積之間換算需要注意什么？

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

我們?cè)谥袑W(xué)時(shí)期就學(xué)習(xí)過(guò)質(zhì)量和體積的關(guān)系：

m=ρv

其中m是質(zhì)量，ρ是密度，v是體積。這么看來(lái)的話質(zhì)量與體積之間的換算非常簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)密度換算一下就可以了。

但是使用氣體密度的時(shí)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(duì)應(yīng)的氣體密度都不一樣，因此我們描述氣體密度時(shí)通常是：在某個(gè)壓力、某個(gè)溫度下，某種氣體的密度是多少。

易度流量計(jì)定義的標(biāo)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(biāo)況流量換算成質(zhì)量單位需要查詢被測(cè)氣體在101.325kPa、25℃狀況下的密度，再運(yùn)用上述公式進(jìn)行計(jì)算。

如果無(wú)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?nèi)匀荒軌蜻M(jìn)行氣體質(zhì)量與體積的換算。這時(shí)我們就需要?dú)怏w摩爾體積這個(gè)概念了。

首先我們需要知道一個(gè)事實(shí)：1mol任何氣體在101.325kPa、0℃下的體積都是22.4L，這個(gè)體積被稱為氣體的摩爾體積。通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程：

PV=nRT（公式1）

我們就可以計(jì)算出氣體在101.325kPa、25℃（易度流量計(jì)定義的標(biāo)況）下摩爾體積是24.45L。摩爾其實(shí)是個(gè)數(shù)量單位，1mol氣體指的就是6.02×10²³個(gè)氣體分子，這么多分子的總質(zhì)量就稱為這種氣體的摩爾質(zhì)量，質(zhì)量與摩爾質(zhì)量的關(guān)系如下：

m=nM（公式2）

其中m是質(zhì)量，n是物質(zhì)的量，M是摩爾質(zhì)量。摩爾質(zhì)量在數(shù)值上剛好等于分子量，分子量又等于分子的質(zhì)子和中子之和，而大部分常見(jiàn)氣體分子的分子式都很簡(jiǎn)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(hào)有一定聯(lián)系

知道了分子量，也就知道了摩爾質(zhì)量M；知道了標(biāo)況流量，也就可以計(jì)算出物質(zhì)的量n，就可以輕松得到氣體質(zhì)量流量了：

Q_{質(zhì)量流量}=Q_{標(biāo)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(diǎn)暈了，沒(méi)關(guān)系，如果你的流量計(jì)設(shè)定的標(biāo)況是101.325KPa、25℃，只要按照上面的公式計(jì)算即可，不必在意推導(dǎo)過(guò)程。下面我們就來(lái)實(shí)踐一下吧，看看通過(guò)密度計(jì)算和通過(guò)分子量計(jì)算的質(zhì)量流量結(jié)果是否相同。

例：流量計(jì)測(cè)得氮?dú)猓?/span>N₂）流量為100SLPM，計(jì)算氮?dú)獾牧髁渴嵌嗌倏嗣棵搿?/span>

答：

方法一：查詢氮?dú)?/span>在101.325KPa、25℃時(shí)的密度為ρ=1.13 g/L，

代入公式

m=ρv

1.13×100÷60=1.88

則氮?dú)饬髁繛?/span>1.88g/s。

方法二：氮?dú)夥肿恿繛?/span>28，代入公式4：

100/60/24.45×28=1.9

則氮?dú)饬髁繛?/span>1.9g/s。

可以看到兩種方法計(jì)算結(jié)果非常接近，他們之間存在約1%的誤差，因?yàn)闅怏w摩爾體積不是精確值，分子量也省略了小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)值，為的是可以方便地計(jì)算。

綜上所述，通過(guò)密度計(jì)算優(yōu)點(diǎn)是比較精確，缺點(diǎn)是必須知道氣體在101.325KPa、25℃時(shí)的密度，而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索查詢可能會(huì)得到錯(cuò)誤的密度值（大部分網(wǎng)上搜索數(shù)據(jù)都是101.325KPa、0℃下的氣體密度值）。通過(guò)分子量計(jì)算缺點(diǎn)是精確度稍差(1%的誤差仍在可接受范圍之內(nèi))，但優(yōu)點(diǎn)是不需要查詢氣體密度，大部分常見(jiàn)氣體分子量通過(guò)各元素在元素周期表里的排序就能知道。