单位换算

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系数抵消是利用代数换算单位的方法。[1][2][3]

系数抵消是将以分数表达的换算系数摆放在一起,让任何同时出现在分子和分母中的因次单位都可以被抵消,直到只剩下所需的因次单位。例如,10英里每小时可以用以下换算系数转换为米每秒:

10

m

i

1

h

×

1609.344

m

1

m

i

×

1

h

3600

s

=

4.4704

m

s

.

{\displaystyle {\frac {\mathrm {10~{\cancel {mi}}} }{\mathrm {1~{\cancel {h}}} }}\times {\frac {\mathrm {1609.344~m} }{\mathrm {1~{\cancel {mi}}} }}\times {\frac {\mathrm {1~{\cancel {h}}} }{\mathrm {3600~s} }}=\mathrm {4.4704~{\frac {m}{s}}} .}

每个换算系数的选择准则是一个原有单位和一个所需单位(或者某个中间单位)之间的关系。例如,因为“英里”是原有分数和

1

m

i

=

1609.344

m

{\displaystyle \mathrm {1~mi} =\mathrm {1609.344~m} }

中的分子,“英里”需要是换算系数中的分母。将方程式的两方除以1英里,得

1

m

i

1

m

i

=

1609.344

m

1

m

i

{\displaystyle {\frac {\mathrm {1~mi} }{\mathrm {1~mi} }}={\frac {\mathrm {1609.344~m} }{\mathrm {1~mi} }}}

,简化后变成没有因次的

1

=

1609.344

m

1

m

i

{\displaystyle 1={\frac {\mathrm {1609.344~m} }{\mathrm {1~mi} }}}

。由于乘法单位元的性质,将任何数量乘以1,都不会改变该数量。[4]原有分数乘以该换算系数以及秒每小时的系数后,“英里”和“小时”会抵消,所以10英里每小时等于4.4704米每秒。

再例如,工业熔炉的烟道气中氮氧化物(NOx)的浓度可以用以下资料转为质量流量,以NOx克每小时(g/h)表示:

NOx浓度

= 百万分比10的体积 = 10 ppmv = 10体积单位/106体积单位

NOx摩尔质量

= 46 kg/kmol = 46 g/mol

烟道气的流量

= 20立方米每分钟 = 20 m3/min

烟道气在0 °C的温度和101.325 kPa的绝对压强下离开熔炉。

气体在0 °C和101.325 kPa下的摩尔体积是22.414 m3/摩尔 (单位)。

1000

g

NO

x

1

kg

NO

x

×

46

kg

NO

x

1

kmol

NO

x

×

1

kmol

NO

x

22.414

m

3

NO

x

×

10

m

3

NO

x

10

6

m

3

gas

×

20

m

3

gas

1

minute

×

60

minute

1

hour

=

24.63

g

NO

x

hour

{\displaystyle {\frac {1000\ {\ce {g\ NO}}_{x}}{1{\cancel {{\ce {kg\ NO}}_{x}}}}}\times {\frac {46\ {\cancel {{\ce {kg\ NO}}_{x}}}}{1\ {\cancel {{\ce {kmol\ NO}}_{x}}}}}\times {\frac {1\ {\cancel {{\ce {kmol\ NO}}_{x}}}}{22.414\ {\cancel {{\ce {m}}^{3}\ {\ce {NO}}_{x}}}}}\times {\frac {10\ {\cancel {{\ce {m}}^{3}\ {\ce {NO}}_{x}}}}{10^{6}\ {\cancel {{\ce {m}}^{3}\ {\ce {gas}}}}}}\times {\frac {20\ {\cancel {{\ce {m}}^{3}\ {\ce {gas}}}}}{1\ {\cancel {\ce {minute}}}}}\times {\frac {60\ {\cancel {\ce {minute}}}}{1\ {\ce {hour}}}}=24.63\ {\frac {{\ce {g\ NO}}_{x}}{\ce {hour}}}}

在以上算式中抵消所有同时出现于分子和分母的因次单位后,10 ppmv的NOx浓度等于24.63 克每小时的流量。

复核涉及因次的方程式

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系数抵消也可以用于任何数学方程式,检查左方的因次单位是否与右方的一样。两方有相同的单位,不代表方程式完全正确,但两方有不同的单位(以基本单位表示),则表示方程式有错误。

例如,考虑理想气体状态方程,PV = nRT,其中:

压强(P)以帕斯卡(Pa)表示

体积(V)以立方米(m3)表示

物质的量(n)以摩尔(mol)表示

气体常数(R)是8.3145 Pa⋅m3/(mol⋅K)

温度T以开尔文(K)表示

P

a

m

3

=

m

o

l

1

×

P

a

m

3

m

o

l

K

×

K

1

{\displaystyle \mathrm {Pa{\cdot }m^{3}} ={\frac {\cancel {\mathrm {mol} }}{1}}\times {\frac {\mathrm {Pa{\cdot }m^{3}} }{{\cancel {\mathrm {mol} }}\ {\cancel {\mathrm {K} }}}}\times {\frac {\cancel {\mathrm {K} }}{1}}}

如上所示,在右方同时出现于分子和分母的因次单位被抵消时,方程式的两方都有相同的单位。因次分析可用来建立方程式,联系本没有关系的物理化学性质。方程式可以展示物质此前未知或被忽视的性质,而它们以剩下因次的形式出现。需要注意的是,这些“数学技巧”既有前例,也在科学界有一定的重要性。物理学基本常数普朗克常数得到“发现”时,它只是基于瑞利-金斯定律建立的抽象数学概念,以防止紫外灾变。它开始在量子物理扮演关键角色时,可以是在得到因次分析处理的同时或之后,但不能是之前。

限制

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系数抵消只能转换线性关系的单位量,而大多数单位都符合这个关系。

例如,系数抵消不适用于摄氏度和开尔文(或华氏度)之间的换算。摄氏度和开尔文间有恒定的差,而不是恒定的比;摄氏度和华氏度间既没有恒定的差,也没有恒定的比。然而,它们之间有仿射变换(

x

a

x

+

b

{\displaystyle x\mapsto ax+b}

,而不是线性变换的

x

a

x

{\displaystyle x\mapsto ax}

)。

例如,水的冰点是0 °C和32 °F,而5 °C的变化相当于9 °F的变化,因此,要将华氏度转为摄氏度,则需要减去32 °F(参考点的差),除以9 °F,乘以5 °C(单位的比),最后加0 °C(参考点的差)。反转这个过程,则是相当于将摄氏度转换到华氏度。即使这个过程以100 °C和212 °F开始,也不会影响最后的公式。

因此,以下公式可以将华氏度的某个温度值(T[F])转换至摄氏度的温度值(T[C]):

T[C] = (T[F] − 32) × 5/9.

以下公式可以将摄氏度(T[C])转换至华氏度(T[F]):

T[F] = (T[C] × 9/5) + 32.