Standardbedingungen
Der Ausdruck Standardbedingungen wird in naturwissenschaftlichen und technischen Fachbereichen verwendet und hat grundsätzlich zwei Bedeutungen:
- in der Physik, Chemie, Medizin, Biologie und Prozesstechnik zur Definition von einzuhaltenden Prozessbedingungen (vor allem Temperatur und Druck), um das Verhalten oder Ergebnis eines Prozesses mit einem anderen vergleichen zu können.
- in der Gasmengen- und Gasdurchflussmessung zur Definition von „Normvolumen“ und „Normvolumenströmen“ (s. auch Zustandszahl). ⓘ
Standardtemperatur und -druck (STP) sind Standards von Bedingungen für den Zustand experimenteller Messungen, um verschiedene Datensätze vergleichen zu können. Die am häufigsten verwendeten Standards sind die der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) und des National Institute of Standards and Technology (NIST), obwohl dies keine allgemein anerkannten Standards sind. Andere Organisationen haben viele andere Definitionen für ihre Standardreferenzbedingungen festgelegt. ⓘ
In vielen technischen Publikationen (Büchern, Zeitschriften, Anzeigen für Geräte und Maschinen) wird jedoch einfach von "Normbedingungen" gesprochen, ohne diese zu spezifizieren; oft wird der Begriff durch die älteren "Normalbedingungen" oder "NC" ersetzt. Dies kann in manchen Fällen zu Verwechslungen und Fehlern führen. Die gute Praxis bezieht immer die Referenzbedingungen von Temperatur und Druck mit ein. Wenn nicht angegeben, werden einige Raumumgebungsbedingungen angenommen, etwa 1 atm Druck, 293,15 K (20 °C) und 0 % Luftfeuchtigkeit. ⓘ
| Anwendungsbereich | Bezeichnung | Temperatur | Druck | Definition | Anmerkung ⓘ |
|---|---|---|---|---|---|
| Physik | Normbedingungen, Normalbedingungen | 273,15 K ≙ 0 °C | 101 325 Pa = 1,01325 bar = 1 atm | DIN 1343 | gelten in Deutschland auch für die Angabe einer Gasmenge im Handel, siehe Normkubikmeter. |
| physikalische Größen (z. B. Dichte, Drehwert, Brechungsindex) |
Laborbedingungen, Normalbedingungen | 293,15 K ≙ 20 °C (Maßbezugstemperatur) |
101 325 Pa = 1,01325 bar = 1 atm (Bezugsluftdruck bei Siedepunktsangaben) |
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| Chemie | Standardbedingungen oder STP-Bedingungen (standard temperature and pressure) |
273,15 K ≙ 0 °C | 100 000 Pa = 1,000 bar | IUPAC, 1982 | Während die Normbedingungen als Bezugsgrößen verwendet werden, von denen ausgehend man umrechnet, werden Standardbedingungen oft verwendet, um Umrechnungen vermeiden zu können. In diesem Sinn ist die IUPAC-Festlegung auf exakt 1 bar moderner und wird insbesondere für die Angabe thermodynamischer Stoffeigenschaften bevorzugt. |
| Elektrochemie | 298,15 K ≙ 25 °C | Bei der Angabe des Standard-Redoxpotentials bezieht man sich auf die Standardbedingung, dass alle beteiligten Stoffe eine Aktivität von 1 besitzen. Für nicht ideal verdünnte Lösungen ist die Konzentration so einzustellen, dass das Produkt aus Aktivitätskoeffizienten und Konzentration 1 wird, da dies die Aktivität ist. In saurer Lösung bezieht man Potentiale auf das Potential von H3O+-Ionen, in basischer Lösung auf das von OH−-Ionen. | |||
| Biochemie | 298,15 K ≙ 25 °C | 100 000 Pa = 1,000 bar | Standardbedingung „pH 7“ (neutrales Milieu), Konzentrationen der Reaktionspartner von 1 M (= 1 mol/l) | ||
| Medizin und Physiologie, insbesondere Atmungsphysiologie | STPD-Bedingungen (standard temperature, pressure, dry) |
273,15 K ≙ 0 °C | 101 325 Pa = 760 mmHg | Wasserdampfpartialdruck p(H2O) = 0 Pa (trocken) | |
| BTPS-Bedingungen (body temperature, pressure, saturated) |
310,15 K ≙ 37 °C („normale“ Körpertemperatur des Menschen) |
tatsächlicher Luftdruck | p(H2O) = 6250 Pa (Sättigungsdampfdruck bei 37 °C) | ||
| ATPS-Bedingungen (ambient temperature, pressure, saturated: tatsächliche Messbedingungen außerhalb des Körpers) |
Raumtemperatur | tatsächlicher Luftdruck | p(H2O) = Sättigungsdampfdruck bei jeweiliger Raumtemperatur | ||
| Gaschromatographie | SATP-Bedingungen (standard ambient temperature and pressure) |
298,15 K ≙ 25 °C | 101 300 Pa = 1,013 bar | Die Normvolumina bei gaschromatographischen Messungen sind auf 25 °C und 101 300 Pa bezogen | |
| Luftfahrt | ISA (International Standard Atmosphere, „Normatmosphäre“) |
288,15 K ≙ 15 °C | 101 325 Pa = 29,92 inHg (Meereshöhe) |
ISO 2533 | trocken, weitere Standardwerte für Temperatur- und Druckänderungen mit zunehmender Höhe |
| Druckluftindustrie | Standard reference atmosphere | 293,15 K ≙ 20 °C | 100 000 Pa = 1,000 bar | ISO 8778 | 65 % relative Luftfeuchtigkeit |
| …? | DIN 1945-1 | p(H2O) = 0 Pa (trocken) |
In der Chemie änderte die IUPAC 1982 ihre Definition von Standardtemperatur und -druck:
- Bis 1982 war STP definiert als eine Temperatur von 273,15 K (0 °C, 32 °F) und ein absoluter Druck von genau 1 atm (101,325 kPa).
- Seit 1982 ist STP definiert als eine Temperatur von 273,15 K (0 °C, 32 °F) und ein absoluter Druck von genau 105 Pa (100 kPa, 1 bar). ⓘ
STP sollte nicht mit dem Standardzustand verwechselt werden, der üblicherweise bei thermodynamischen Bewertungen der Gibbs-Energie einer Reaktion verwendet wird. ⓘ
Das NIST verwendet eine Temperatur von 20 °C (293,15 K, 68 °F) und einen absoluten Druck von 1 atm (14,696 psi, 101,325 kPa). Dieser Standard wird auch als Normaltemperatur und -druck (abgekürzt NTP) bezeichnet. Eine übliche Temperatur und ein üblicher Druck, die vom NIST für thermodynamische Experimente verwendet werden, sind jedoch 298,15 K (25°C, 77°F) und 1 bar (14,5038 psi, 100 kPa). NIST verwendet auch "15 °C (60 °F)" für die Temperaturkompensation von raffinierten Erdölprodukten, obwohl diese beiden Werte nicht genau übereinstimmen. ⓘ
Die internationalen metrischen Standardbedingungen für Erdgas und ähnliche Flüssigkeiten sind 288,15 K (15,00 °C; 59,00 °F) und 101,325 kPa. ⓘ
In Industrie und Handel sind Standardbedingungen für Temperatur und Druck häufig erforderlich, um die Standardreferenzbedingungen für die Angabe des Volumens von Gasen und Flüssigkeiten und damit zusammenhängender Größen wie der volumetrischen Durchflussrate zu definieren (das Volumen von Gasen variiert erheblich mit Temperatur und Druck): Standardkubikmeter pro Sekunde (Sm3/s) und Normalkubikmeter pro Sekunde (Nm3/s). ⓘ
Begriffsbestimmungen
Frühere Verwendungen
Vor 1918 definierten viele Fachleute und Wissenschaftler, die das metrische Einheitensystem verwendeten, die Standardbezugsbedingungen für Temperatur und Druck zur Angabe von Gasvolumina als 15 °C (288,15 K; 59,00 °F) und 101,325 kPa (1,00 atm; 760 Torr). In denselben Jahren waren die am häufigsten verwendeten Standardreferenzbedingungen für Personen, die das imperiale oder das U.S.-amerikanische System verwendeten, 60 °F (15,56 °C; 288,71 K) und 14,696 psi (1 atm), da dies von der Öl- und Gasindustrie weltweit fast universell verwendet wurde. Die oben genannten Definitionen sind in beiden Einheitensystemen nicht mehr die am häufigsten verwendeten. ⓘ
Aktuelle Verwendung
Viele verschiedene Definitionen von Standardreferenzbedingungen werden derzeit von Organisationen auf der ganzen Welt verwendet. In der nachstehenden Tabelle sind einige von ihnen aufgeführt, aber es gibt noch mehr. Einige dieser Organisationen haben in der Vergangenheit andere Normen verwendet. So definiert die IUPAC seit 1982 die Standardreferenzbedingungen als 0 °C und 100 kPa (1 bar), im Gegensatz zu ihrem alten Standard von 0 °C und 101,325 kPa (1 atm). Der neue Wert ist der mittlere atmosphärische Druck in einer Höhe von etwa 112 Metern, was näher am weltweiten Mittelwert der Wohnhöhe des Menschen (194 m) liegt. ⓘ
Erdgasunternehmen in Europa, Australien und Südamerika haben 15 °C (59 °F) und 101,325 kPa (14,696 psi) als Referenzbedingungen für das Standardgasvolumen festgelegt, die als Basiswerte für die Definition des Standardkubikmeters dienen. Auch die International Organization for Standardization (ISO), die United States Environmental Protection Agency (EPA) und das National Institute of Standards and Technology (NIST) haben jeweils mehr als eine Definition der Standardreferenzbedingungen in ihren verschiedenen Normen und Vorschriften. ⓘ
| Temperatur | Druck | Dichte | Relative Feuchte (%) |
Veröffentlichende oder feststellende Stelle ⓘ | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| °C | °F | kPa | mmHg | psi | inHg | kg/m³ | ||
| 0 | 32 | 100.000 | 750.06 | 14.5038 | 29.530 | IUPAC (STP) seit 1982 | ||
| 0 | 32 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | NIST, ISO 10780, früher IUPAC (STP) bis 1982 | ||
| 15 | 59 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | 1.225 | 0 | ISA der ICAO, ISO 13443, EEA, EGIA (SI-Definition) |
| 20 | 68 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | EPA, NIST. Dies wird auch als NTP (Normal Temperature and Pressure) bezeichnet. | ||
| 22 | 71.6 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | 20–80 | Amerikanische Vereinigung der Physiker in der Medizin | |
| 25 | 77 | 100.000 | 750.06 | 14.5038 | 29.530 | IUPAC (SATP) | ||
| 25 | 77 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | EPA | ||
| 20 | 68 | 100.000 | 750.06 | 14.5038 | 29.530 | 0 | CAGI | |
| 15 | 59 | 100.000 | 750.06 | 14.5038 | 29.530 | SPE | ||
| 20 | 68 | 101.3 | 760 | 14.69 | 29.9 | 50 | ISO 5011 | |
| 20 | 68 | 101.33 | 760.0 | 14.696 | 29.92 | 0 | GOST 2939-63 | |
| 15.56 | 60 | 101.33 | 760.0 | 14.696 | 29.92 | SPE, U.S. OSHA, SCAQMD | ||
| 15.56 | 60 | 101.6 | 762 | 14.73 | 30.0 | EGIA (Definition des imperialen Systems) | ||
| 15.56 | 60 | 101.35 | 760.21 | 14.7 | 29.93 | U.S. DOT (SCF) | ||
| 15 | 59 | 99.99 | 750.0 | 14.503 | 29.53 | 78 | U.S. Armee Standard Metro | |
| 15 | 59 | 101.33 | 760.0 | 14.696 | 29.92 | 60 | ISO 2314, ISO 3977-2 | |
| 21.11 | 70 | 101.3 | 760 | 14.70 | 29.92 | 0 | AMCA, Luftdichte = 0,075 lbm/ft3. Diese AMCA-Norm gilt nur für Luft; Compressed Gas Association [CGA] gilt für die Verwendung von Industriegas in den USA | |
| 15 | 59 | 101.3 | 760 | 14.70 | 29.92 | FAA | ||
| 20 | 68 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | 0 | EN 14511-1:2013 | |
| 15 | 59 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | 0 | ISO 2533:1975 ISO 13443:2005, ISO 7504:2015 | |
| 0 | 32 | 101.325 | 760.00 | 14.6959 | 29.921 | 0 | DIN 1343:1990 | |
Abkürzungen:
- EGIA: Elektrizitäts- und Gasinspektionsgesetz (von Kanada)
- SATP: Standard Ambient Temperature and Pressure (Standardumgebungstemperatur und -druck)
- SCF: Standard Cubic Foot (Kubikfuß) ⓘ
Internationale Standardatmosphäre
In der Luftfahrt und der Strömungslehre ist die "Internationale Standardatmosphäre" (ISA) eine Spezifikation von Druck, Temperatur, Dichte und Schallgeschwindigkeit in jeder Höhe. Die Internationale Standardatmosphäre ist repräsentativ für die atmosphärischen Bedingungen in mittleren Breitengraden. In den USA werden diese Informationen in der U.S. Standard Atmosphere" angegeben, die in allen Höhenlagen bis 65.000 Fuß über dem Meeresspiegel mit der International Standard Atmosphere" identisch ist. ⓘ
Standard-Laborbedingungen
Da sich viele Definitionen von Standardtemperatur und -druck in Bezug auf die Temperatur erheblich von den Standardlabortemperaturen unterscheiden (z. B. 0 °C gegenüber ~25 °C), wird häufig auf "Standardlaborbedingungen" Bezug genommen (ein Begriff, der bewusst gewählt wurde, um sich von dem Begriff "Standardbedingungen für Temperatur und Druck" zu unterscheiden, obwohl er bei wörtlicher Auslegung semantisch fast identisch ist). Was jedoch eine "Standard"-Labortemperatur und ein "Standard"-Druck ist, ist zwangsläufig geografisch bedingt, da sich die verschiedenen Teile der Welt in Bezug auf das Klima, die Höhe und den Grad der Nutzung von Wärme/Kälte am Arbeitsplatz unterscheiden. In Schulen in New South Wales, Australien, gelten beispielsweise 25 °C bei 100 kPa als Standardlaborbedingungen. ASTM International hat die Norm ASTM E41 - Terminology Relating to Conditioning und Hunderte von Sonderbedingungen für bestimmte Materialien und Prüfverfahren veröffentlicht. Auch andere Normungsorganisationen haben spezielle Standard-Testbedingungen. ⓘ
Molares Volumen eines Gases
Bei der Angabe des molaren Volumens eines Gases ist es ebenso wichtig wie bei der Angabe des Gasvolumens oder des Volumendurchflusses, die geltenden Referenzbedingungen (Temperatur und Druck) anzugeben. Die Angabe des molaren Volumens eines Gases ohne die Angabe der Bezugsbedingungen Temperatur und Druck ist wenig aussagekräftig und kann zu Verwirrung führen. ⓘ
Das molare Volumen von Gasen um STP und bei atmosphärischem Druck kann mit einer Genauigkeit berechnet werden, die in der Regel ausreicht, wenn man das ideale Gasgesetz anwendet. Das molare Volumen jedes idealen Gases kann bei verschiedenen Standard-Referenzbedingungen wie folgt berechnet werden:
- Vm = 8,3145 × 273,15 / 101,325 = 22,414 dm3/mol bei 0 °C und 101,325 kPa
- Vm = 8,3145 × 273,15 / 100,000 = 22,711 dm3/mol bei 0 °C und 100 kPa
- Vm = 8,3145 × 298,15 / 101,325 = 24,466 dm3/mol bei 25 °C und 101,325 kPa
- Vm = 8,3145 × 298,15 / 100,000 = 24,790 dm3/mol bei 25 °C und 100 kPa
- Vm = 10,7316 × 519,67 / 14,696 = 379,48 ft3/lbmol bei 60 °F und 14,696 psi (oder etwa 0,8366 ft3/Grammol)
- Vm = 10,7316 × 519,67 / 14,730 = 378,61 ft3/lbmol bei 60 °F und 14,73 psi ⓘ
Die Fachliteratur kann verwirrend sein, weil viele Autoren nicht erklären, ob sie die ideale Gaskonstante R oder die spezifische Gaskonstante Rs verwenden. Die Beziehung zwischen den beiden Konstanten ist Rs = R / m, wobei m die Molekülmasse des Gases ist. ⓘ
Die US-Standardatmosphäre (USSA) verwendet 8,31432 m3-Pa/(mol-K) als Wert für R. Die USSA (1976) erkennt jedoch an, dass dieser Wert nicht mit den Werten der Avogadro-Konstante und der Boltzmann-Konstante übereinstimmt. ⓘ