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标准状况

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标准温度与压力（英语：standard temperature and pressure，简称STP），或称标准状况，是一组用于实验测量的标准化环境设定，目的在于让不同数据间具有可比性。目前最常采用的标准来自国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）与国家标准技术研究所（NIST），但这些标准尚未获得全球一致认可。其他机构也各自制定了不同的标准定义。

在工业与商业应用中，标准温压条件对于气体与液体体积的表示，以及相关数据如体积流率的表达，至关重要，因为气体体积会随温度与压力而显著变化。例如常见的单位包括：标准立方米每秒（Sm³/s）与常态立方米每秒（Nm³/s）。

许多技术性出版物（如书籍、学术期刊、机械设备广告）常简略地标示“标准状况”，而未明确说明其实际定义；有时甚至以旧用语“常态条件”（normal conditions，简称NC）取代。这样的模糊用法在某些情况下容易引发误解与错误。较为严谨的做法，是明确标示所采用的温压参考条件。若未特别说明，则通常预设为近似室温环境：约1个大气压、273.15 K（0°C）、以及0%的相对湿度。

定义

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在化学领域，IUPAC于1982年修订了其对标准温度与压力的定义[1][2]：

  • 1982年以前，STP指的是温度273.15 K（0 °C；32 °F）与绝对压力1 atm（101.325 kPa）。
  • 自1982年起，STP变更定义为温度273.15 K（0 °C；32 °F）与绝对压力1 bar（100 kPa；100,000 Pa）。

NIST所采用的标判据为温度20 °C（293.15 K；68.00 °F）与绝对压力1 atm（14.696 psi，101.325 kPa）[3]，这套标准也称为常态温度与压力（normal temperature and pressure，简称NTP）。不过，NIST在热力学实验中常使用的状况则是温度298.15 K（25°C，77°F）与压力1 bar（14.5038 psi，100 kPa）[4][5]。此外，NIST在针对精炼石油产品进行温度补偿时，使用的标准温度为15°C（288.15 K，59°F），尽管该机构也指出这两个标准值彼此并不完全一致[6]。

根据ISO 13443，天然气与类似流体的标准参考状况为288.15 K（15.00 °C；59.00 °F）与101.325 kPa[7]；相较之下，美国石油学会采用的状况为60 °F（15.56 °C；288.71 K）[8]。

过去

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1918年以前，许多采用公制单位系统的专业人士与科学家，将气体体积的标准参考条件设为15 °C（288.15 K；59.00 °F）与压力101.325 kPa（1.00 atm；760 Torr）。同一时期，采用英制或美制系统的人们，最常使用的标准条件则是60 °F（15.56 °C；288.71 K）与14.696 psi（1 atm），这套标准几乎被全球石油与天然气产业一致采纳。上述这些定义现今已不再是两种单位系统中最普遍使用的标准[9]。

现今用法

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目前世界各地的机构对标准状况的定义并不一致，使用的版本各式各样。以下表格仅列出部分例子，实际上还有更多。有些机构在过去使用的是不同的标准。举例来说，IUPAC自1982年起将标准参考条件定为0°C与100 kPa（1.0 bar），与其早期所采用的0°C与101.325 kPa（1.00000 atm）有所不同[2]。新标准对应的压力大约为海拔112米的平均大气压，更接近全球人类居住地的中位海拔（194米）[10]。

欧洲、澳洲与南美的天然气企业，普遍采用15 °C（59 °F）与101.325 kPa（14.696 psi）作为气体体积的标准参考条件，并将其作为“标准立方米”（standard cubic meter）的基准[11][12][13]。此外，国际标准化组织、美国环境保护署及国家标准与技术研究院等机构，在其不同的标准与法规中，也各自采用了不止一种标准参考条件。

标准状况参考条件
温度 绝对压力 相对湿度 出版或创立者
°C kPa % RH
0 100.000   IUPAC（1982年之后正在使用的定义）
0 101.325   IUPAC（1982年以前使用的定义）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.

注释：

  • 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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参考资料

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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. 气体的标准条件：……压力设定为105帕斯卡。原本采用的标准绝对压力为1 atm（等同于 101.325 kPa），在1982年被调整为100 kPa。IUPAC建议应停止使用旧有的压力标准。 
  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：为Billion Cubic Meter（十亿立方米）的缩写，表示以“标准立方米”为单位的气体体积总量——即在标准条件下（大气压为1 atm、温度为15°C）的一立方米气体。 
  13. ^ Metrogas. Natural gas purchase and sale agreement. June 2004 [2008-07-25]. “在标准条件下的天然气”是指在温度15°C、压力 101.325 kPa时，所占体积为1立方米的天然气量。 
  14. ^ NIST. NIST Standard Reference Database 7 – NIST Electron and Positron Stopping Powers of Materials Database. 1989 [2008-07-25]. （原始内容存档于2011-06-29）. If you want the program to treat the material as an ideal gas, the density will be assumed given by M/V, where M is the gram molecular weight of the gas and V is the mol volume of 22414 cm3 at standard conditions（0 deg C and 1 atm）. 
  15. ^ 14:00-17:00. ISO 10780:1994. ISO. [2022-10-15] （英语）. 
  16. ^ 16.0 16.1 Robert C. Weast (Editor). Handbook of Physics and Chemistry 56th. CRC Press. 1975: F201–F206. ISBN 0-87819-455-X. 
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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)

外部链接

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