Пересчет концентрации газов с мг/м³ в ppm
Газоанализаторы и нормативы не всегда «разговаривают» на одном языке: один прибор показывает концентрацию в мг/м³, другой – в ppm, а предельно допустимые концентрации (ПДК) в справочниках встречаются и так, и так. Чтобы сравнить показатель прибора с нормой или сопоставить два разных прибора, эти единицы нужно уметь переводить одну в другую. Такой пересчёт возможен через молярную массу конкретного газа.
Разница между единицами принципиальна. ppm (parts per million, частей на миллион) – это объёмная (молярная) доля газа в воздухе, которая не зависит от температуры и давления. А мг/м³ – это масса газа в кубометре воздуха, и она зависит как от самого газа (его молярной массы), так и от условий измерения (температуры и давления). Именно поэтому, чтобы перейти от массы к объёмной доле, в формуле нужны молярная масса газа и молярный объём.
Формула пересчета
Для обычных условий помещения (температура около 25°C, нормальное атмосферное давление) используется упрощенная формула:
ppm = (мг/м³ × 24,45) / M,
где: ppm – концентрация в частях на миллион, мг/м³ – концентрация в миллиграммах на кубический метр, 24,45 – молярный объём газа (л/моль) при температуре 25°C, M – молярная масса газа (г/моль).
Обратный перерасчёт:
мг/м³ = (ppm × M) / 24,45.
Молярный объём: когда 24,45 не подходит
Коэффициент 24,45 – это не универсальная константа, а значение молярного объёма для конкретных условий: 25°C и нормального атмосферного давления. Изменяются условия – изменяется и он, потому что тот же газ при другой температуре или давлении занимает другой объём. Вычислить его для любых условий можно по уравнению состояния:
Vm = R × (273,15 + t) / p,
где Vm – молярный объём (л/моль), R – универсальная газовая постоянная (8,314 кПа·л/(моль·К)), t – температура (°C), p – давление (кПа).
Для ориентира, вот как изменяется молярный объём при изменении температуры при нормальном давлении 101,325 кПа: при -10°C молярный объём составляет 21,593 л/моль, а при +40°C – уже 25,696 л/моль.
Давление же влияет на молярный объём даже сильнее температуры. При тех же 25°C изменение атмосферного давления со 101,325 до 95 кПа (обычное дело в горной местности или во время глубокого циклона) увеличивает молярный объём с 24,465 до 26,094 л/моль – а это более 6%.
Стоит знать еще один нюанс. В справочниках обычно приводят округленные значения – 24,45 для 25°C и 24,04 для 20°C, тогда как точный расчет дает 24,465 и 24,055 соответственно. Разница составляет около 0,06% и на практике несущественна, но если вы сверяетесь с конкретным нормативом, берите то значение, для которого он установлен.
Молярные массы распространенных газов
- Углекислый газ (CO₂) – 44 г/моль.
- Угарный газ (CO) – 28 г/моль.
- Оксид азота (NO) – 30 г/моль.
- Диоксид азота (NO₂) – 46 г/моль.
- Диоксид серы (SO₂) – 64 г/моль.
- Сероводород (H₂S) – 34 г/моль.
- Аммиак (NH₃) – 17 г/моль.
- Озон (O₃) – 48 г/моль.
- Хлор (Cl₂) – 71 г/моль.
- Формальдегид (HCHO) – 30 г/моль.
- Метан (CH₄) – 16 г/моль.
- Этан (C₂H₆) – 30 г/моль.
- Пропан (C₃H₈) – 44 г/моль.
- Бутан (C₄H₁₀) – 58 г/моль.
Для любого другого газа формула работает так же – нужно лишь подставить его молярную массу.
Пример пересчета
Предположим, нужно перевести 0,5 мг/м³ формальдегида (HCHO) в ppm.
Молярная масса формальдегида ≈ 30 г/моль. Подставляем в формулу:
ppm = (0,5 × 24,45) / 30 ≈ 0,41 ppm
Следовательно, концентрация 0,5 мг/м³ формальдегида соответствует примерно 0,4 ppm при комнатных условиях.
Итог
Такой пересчёт часто нужен, когда необходимо сравнить нормативные значения, откалибровать датчики или сопоставить показатели разных приборов. Главное – применять правильную молярную массу именно того газа, который измеряется, и учитывать условия измерения (при высокой температуре или пониженном атмосферном давлении то же содержание в мг/м³ соответствует большему количеству ppm). Если результат нужен для сравнения с нормативом, используйте те референсные условия, для которых этот норматив установлен.
