표준 온도 압력

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1. 개요
2. 정의
3. 국제 표준 대기
4. 표준 실험실 조건
5. 기체의 몰 부피
6. 물질의 표준 상태
참조

1. 개요

표준 온도 압력(STP)은 화학 분야에서 온도와 압력을 특정 조건으로 정의하는 것을 의미한다. 1982년까지는 0 °C와 1 atm(101.325 kPa)으로 정의되었으나, 이후 0 °C와 100 kPa로 변경되었다. 미국 표준 기술 연구소(NIST)는 20 °C와 1 atm을 사용하며, 이를 NTP라고도 한다. 이 외에도 SATP, ISO, EPA 등 여러 기관에서 다양한 기준을 사용하며, 기체의 몰 부피 계산 등에 활용된다.

2. 정의

IUPAC은 1982년에 표준 온도 압력(STP)의 정의를 변경했다.^[1]^[2]

1982년 이전까지 STP는 온도 273.15 K (0 °C, 32 °F) 및 정확히 1 atm (101.325 kPa)의 절대압력으로 정의되었다.
1982년 이후 STP는 온도 273.15 K (0 °C, 32 °F) 및 정확히 10⁵ Pa (100 kPa, 1 bar)의 절대압력으로 정의되었다.

표준압력으로는 역사적으로 사용되어 온 표준대기압(1 atm = 101 325 Pa)과 1982년 IUPAC이 권장한 10⁵ Pa가 주로 사용된다.

2. 1. 역사적 배경

1982년 이전에는 표준대기압 101 325 Pa가 표준상태압력(SSP)이었다. 1960년 국제단위계(SI) 채택 이후, IUPAC은 1969년 그린 북(Green book)을 출판하여 SI로의 전환을 했다.^[53] 1970년대 그린 북 개정 시 표준기압이 비SI 단위가 된다는 이유로, SSP를 관습적인 1 atm에서 10⁵ Pa로 변경하는 것이 주장되었고, IUPAC은 이 주장에 따라 변경을 권고했다.

IUPAC이 권장한 표준압력은 다음과 같다.

10⁵ Pa는 표준상태압력(standard-state pressure, SSP)이라고 한다.^[52]^[51]

하지만 2004년 당시 기준으로 20년 이상이 지났음에도 IUPAC의 권장은 종종 무시되었고, 화학열역학 데이터베이스에는 두 가지 설정이 혼재되어 있었다.^[53]^[54] 물리상수 권장값을 발표하는 CODATA는 IUPAC의 권장에 따라 10⁵ Pa를 SSP로 하고 있지만,^[52] 표준압력 설정에 의존하는 이상기체의 몰부피나 사커-테트로드 상수 등은 10⁵ Pa 및 101 325 Pa의 두 표준압력을 기준으로 한 값으로 발표하고 있다.

IUPAC에 의한 SSP 변경 권고는 단위 변경에 따른 것이었지만, 표준상태는 (가상적인) 측정 조건이며, 기준이 되는 양을 선택하는 방식이지 단위를 선택하는 방식은 아니다.

2. 2. 현재의 정의

IUPAC은 1982년 표준 온도 압력의 정의를 변경했다.^[1]^[2]

1982년까지 표준 온도 압력(STP)은 온도 273.15 K (0 °C, 32 °F) 및 정확히 1 atm (101.325 kPa)의 절대압력으로 정의되었다.
1982년 이후 표준 온도 압력(STP)은 온도 273.15 K (0 °C, 32 °F) 및 정확히 10⁵ Pa (100 kPa, 1 bar)의 절대압력으로 정의되었다.

NIST는 20°C (293.15 K, 68 °F)의 온도와 1 atm (101.325kPa)의 절대압력을 사용한다.^[3] 이 기준은 '''표준 온도 압력'''(약칭 '''NTP''')이라고도 한다. 그러나 NIST에서 열역학 실험에 사용하는 일반적인 온도와 압력은 298.15 K (25°C) 및 1 bar (100kPa)이다.^[4]^[5] NIST는 또한 정제된 석유 제품의 온도 보정을 위해 15°C를 사용하지만, 이 두 값이 서로 정확히 일치하지 않는다는 점을 언급한다.^[6]

ISO 13443 천연가스 및 유사 유체에 대한 표준 참조 조건은 288,150 및 101.325kPa이다.^[16]

전 세계 여러 기관에서 현재 다양한 표준 기준 조건의 정의를 사용하고 있다. 아래 표에는 그 중 일부가 나열되어 있지만, 더 많은 기준이 존재한다. 일부 기관은 과거 다른 표준을 사용했다. 예를 들어, IUPAC은 1982년부터 표준 기준 조건을 0°C 및 100kPa(1 bar)로 정의했는데, 이는 이전 표준인 0°C 및 101.325kPa(1 atm)와 대조된다.^[2] 새로운 값은 해발 약 112미터의 평균 대기압으로, 전 세계 인구 거주지의 중앙값 고도(194m)에 더 가깝다.^[9]

국제 표준화 기구(ISO), 미국 환경보호청(EPA) 및 미국 표준 기술 연구소(NIST)는 각각 다양한 표준 및 규정에 따라 표준 기준 조건에 대한 정의를 여러 개 가지고 있다.

현재 사용 중인 표준 기준 조건
온도		압력				습도	발행 또는 설정 기관
°C	°F	kPa	mmHg	psi	inHg	%

0°C	100kPa		IUPAC(STP) 1982년부터^[1]
0°C	101.325kPa		NIST,^[13] ISO 10780,^[14] 이전 IUPAC(STP) 1982년까지^[1]
15°C	101.325kPa	0	ICAO의 ISA,^[15] ISO 13443,^[16] EEA,^[17] EGIA (SI 정의)^[18] 밀도 [https://www.thermexcel.com/french/tables/massair.htm 1.225 kg/m³]
20°C	101.325kPa		EPA,^[19] NIST.^[20]^[21]^[22]
22°C	101.325kPa	20-80	미국 의학 물리학자 협회^[23]
25°C	101.325kPa		SATP,^[24] EPA^[25]
20°C	100kPa	0	CAGI^[26]
15°C	100kPa		SPE^[27]
20°C	101.3kPa	50	ISO 5011^[28]
20°C			style="text-align:center;"		style="text-align:center;"\|	0	GOST 2939-63
약 15.6°C			style="text-align:center;"\|		SPE,^[27] 미국 OSHA,^[29] SCAQMD^[30]
약 15.6°C			style="text-align:center;"\|		EGIA (영국식 단위계 정의)^[18]
약 15.6°C			style="text-align:center;"\|		미국 DOT (SCF)^[31]
약 15.0°C			style="text-align:center;"\|	78		미국 육군 표준계량^[32]
약 15.0°C			style="text-align:center;"\|	60	ISO 2314,^[33] ISO 3977-2,^[34] ASHRAE 기본 매뉴얼^[35]
약 21.1°C		0	AMCA,^[36] 공기 밀도 = 0.075lbm/ft3.^[37]^[38]
약 15.0°C			FAA^[39]
20°C	101.325kPa	\|	EN 14511-1:2013^[40]
15°C	101.325kPa	0	ISO 2533:1975^[41] ISO 13443:2005,^[42] ISO 7504:2015^[43]
0°C	101.325kPa	0	DIN 1343:1990^[44]

약어:

EGIA: 캐나다 전기 및 가스 검사법(Electricity and Gas Inspection Act)
SATP: 표준 주변 온도 및 압력(Standard Ambient Temperature and Pressure)
SCF: 표준 입방 피트(Standard Cubic Foot)

지정되는 압력은 '''표준압력'''(standard pressure)이라고 한다. 표준압력임을 나타내기 위해 종종 기호 를 붙여 로 표기한다. 어떤 압력을 로 지정해도 좋으므로, 어떤 압력을 로 지정했는지는 명시해야 한다.^[51]

표준압력의 설정으로는 주로 두 가지가 있다. 하나는 역사적으로 사용되어 온 '''표준대기압'''(standard atmosphere)

이고, 또 하나는 1982년 IUPAC이 권장한

이다. 100000Pa는 '''표준상태압력'''(standard-state pressure, SSP)이라고 한다.^[52]^[51]. 단, 1982년 이전에는 표준대기압 101325Pa가 SSP였다.

1960년 국제단위계(SI) 채택 이후, IUPAC도 1969년 그린 북(Green book)을 출판하여 SI로의 전환을 했다.^[53]. 그 후 1970년대 그린 북 개정 시 표준기압이 비SI 단위가 된다는 이유로, SSP의 관습적인 1 atm에서 100000Pa로의 변경이 주장되었고, IUPAC의 권장은 이 주장에 따라 이루어졌다.

2. 3. 과거의 사용

1918년 이전에는 미터법을 사용하는 많은 전문가와 과학자들이 기체 부피를 나타내는 표준 기준 온도와 압력을 15°C 및 101.325kPa로 정의했다. 같은 기간 동안, 야드-파운드법 또는 미국 관습 단위를 사용하는 사람들에게 가장 일반적으로 사용되는 표준 기준 조건은 약 15.6°C 및 14.696psi (1atm)였는데, 이는 전 세계 석유 및 가스 산업에서 거의 보편적으로 사용되었기 때문이다. 그러나 이 정의들은 더 이상 어떤 단위계에서도 가장 일반적으로 사용되지 않는다.^[8]

표준압력의 설정으로는 주로 두 가지가 있었다. 하나는 역사적으로 사용되어 온 표준기압(1 atm = 101 325 Pa)이고, 또 하나는 1982년 IUPAC이 권장한 10⁵ Pa이다. 10⁵ Pa는 표준상태압력(standard-state pressure, SSP)이라고 한다.^[52]^[51] 단, 1982년 이전에는 표준대기압 101325Pa가 SSP였다.

1960년 국제단위계(SI) 채택 이후, IUPAC도 1969년 그린 북(Green book)을 출판하여 SI로의 전환을 했다.^[53] 그 후 1970년대 그린 북 개정 시 표준기압이 비SI 단위가 된다는 이유로, SSP의 관습적인 1atm에서 10⁵ Pa로의 변경이 주장되었고, IUPAC의 권장은 이 주장에 따라 이루어졌다.

3. 국제 표준 대기

항공학 및 유체역학에서 "국제표준대기"(ISA)는 각 고도에서의 압력, 온도, 밀도 및 음속을 규정한 것이다. 표준 평균 해수면에서는 15°C의 온도, 101,325 Pa (atm)의 압력 및 의 밀도를 규정한다. 또한 km당 -6.5°C (약 1,000ft당 -2°C)의 온도 감률을 규정한다.^[45]^[46]

국제표준대기는 중위도의 대기 조건을 나타낸다. 미국에서는 이 정보가 해발 65,000피트까지 모든 고도에서 "국제표준대기"와 동일한 미국 표준 대기로 명시되어 있다.

4. 표준 실험실 조건

표준 온도 압력의 정의는 표준 실험실 온도(예: 0°C에서 대략 28°C)와 상당히 다르기 때문에, 종종 "표준 실험실 조건"(표준 온도 및 압력 조건과는 의도적으로 다른 용어이며, 비록 문자 그대로 해석하면 의미상 거의 동일하지만)이라는 용어가 사용된다. 그러나 "표준" 실험실 온도와 압력은 세계 각 지역의 기후, 고도, 작업장의 난방/냉방 사용 정도가 다르기 때문에 지역에 따라 달라질 수밖에 없다. 예를 들어, 오스트레일리아 뉴사우스웨일스주의 학교에서는 표준 실험실 조건으로 25°C, 100kPa를 사용한다.^[47]

ASTM 인터내셔널은 표준 ASTM E41- 조건화 관련 용어 및 특정 재료와 시험 방법에 대한 수백 가지의 특수 조건을 발표했다. 다른 표준화 기구들도 특수한 표준 시험 조건을 가지고 있다.

5. 기체의 몰 부피

기체의 몰 부피를 나타낼 때 온도와 압력의 기준 조건을 명시하는 것은 기체 부피 또는 체적 유량을 표현할 때와 마찬가지로 중요하다.^[48] 기준 온도와 압력 조건을 명시하지 않고 기체의 몰 부피를 나타내는 것은 거의 의미가 없으며 혼란을 야기할 수 있다.

STP(표준 온도 및 압력) 부근 및 대기압에서 기체의 몰 부피는 일반적으로 이상 기체 상태 방정식을 사용하여 충분한 정확도로 계산할 수 있다. 다음은 다양한 표준 기준 조건에서 임의의 이상 기체의 몰 부피를 계산한 결과이다.

조건	몰 부피
0 °C, 101.325 kPa	22.414 dm³/mol
0 °C, 100 kPa	22.711 dm³/mol
15 °C, 101.325 kPa	23.645 dm³/mol
25 °C, 101.325 kPa	24.466 dm³/mol
25 °C, 100 kPa	24.790 dm³/mol
약 15.6°C, 14.696 psi	약 10745.68L³/lbmol (또는 약 약 23.69L³/그램 몰)
약 15.6°C, 14.73 psi	약 10721.04L³/lbmol

기술 문헌은 많은 저자들이 이상 기체 상수 ''R'' 또는 비기체 상수 ''R''_s 중 어느 것을 사용하는지 설명하지 않기 때문에 혼란스러울 수 있다. 두 상수의 관계는 ''R''_s = ''R'' / ''m''이며, 여기서 ''m''은 기체의 분자량이다.

미국 표준 대기(USSA)는 ''R''의 값으로 8.31432 m³·Pa/(mol·K)를 사용한다. 그러나 1976년 USSA는 이 값이 아보가드로 수와 볼츠만 상수의 값과 일치하지 않음을 인정했다.^[49]

1몰의 이상 기체의 부피는 표준상태(SATP)에서는 24.8리터, 표준 온도 및 압력(STP)에서는 22.7리터(1990년경^[56] 이전에는 22.4리터), 정상 온도 및 압력(NTP)에서는 22.4리터이다.

6. 물질의 표준 상태

온도 ''T''에서 물질의 표준 상태란 ''T'' 및 표준 상태 압력(SSP) ''p''^°에서 그 물질의 순수한 상태 또는 가상적인 상태이다.^[62] 표준 상태에 있는 물질의 열역학적 양은 표준 상태에서의 양임을 나타내기 위해 ^°를 붙여 표기한다. 예를 들어 표준 생성 엔탈피는 Δ_f''H''^°로 표기한다(Δ_f는 생성 반응(formation)을 나타낸다). 온도는 인수로 Δ_f''H''^°(298 K)처럼 표시하거나, 오른쪽 아래 첨자로 Δ_f''H''^°₂₉₈처럼 표시한다.^[63]

6. 1. 액체와 고체의 표준 상태

액체와 고체의 표준 상태는 순물질이 표준 상태(SSP)에 있는 상태이다. 예로서 표준 상태의 흑연의 열역학적 양^[64]을 표에 나타낸다.

흑연의 표준 열역학적 양

0	0.00	-1.05
298	5.69	0.00
500	11.65	2.38
1000	24.45	11.82
2000	40.63	35.32
3000	50.75	60.30

흑연의 표준 생성 엔탈피는 표의 온도 범위에서는 정의에 따라 0이다. 온도에서의 표준 엔트로피와 표준 엔탈피는 정압 몰 열용량의 실측값으로부터 각각

및

으로 구해진다. 액체나 고체의 표준 정압 몰 열용량는 SSP에서의 정압 몰 열용량와 같다.

6. 2. 기체의 표준 상태

실제 기체의 표준 상태는 표준 상태 압력(SSP, Standard State Pressure) 하에 있는 순물질의 이상 기체이다. 이 상태는 가상적인 상태이다. 예를 들어, 298 K에서 H₂O(기체)의 표준 상태는 100000Pa (또는 1 atm)에서도 액화하지 않는 수증기이며, 이것은 완전히 가상적인 상태이다. 반면에, SSP 하에서 실제로 기체로 존재하는 물질은 이상 기체로 간주할 수 있는 경우가 많다.^[65]

25 ℃에서 기체의 열역학적 양 ^[65]
기체
수소 H₂	0.00	28.8	28.8
질소 N₂	0.01	29.1	29.2
이산화탄소 CO₂	0.04	37.1	37.4
암모니아 NH₃	0.10	35.6	36.8
부탄 C₄H₁₀	0.25	98.5	100.6

표에서 25 ℃, 100000Pa에서 암모니아의 생성 엔탈피()가 25 ℃, 100000Pa에서의 표준 생성 엔탈피()와 0.1 kJ/mol의 정확도로 일치하는 것을 알 수 있다. 일반적으로 실제 기체는 압력이 0으로 갈 때 이상 기체가 되므로, 실제 기체의 는 와 같고, 는 와 같다. 이산화이질소 N₂O₄와 같이 저압에서 분해하는 분자로 이루어진 기체의 표준 열역학적 양은 분광학 데이터와 통계역학을 통해 계산된다.

SSP 하에서 액체로 존재하는 물질의 표준 증발 엔탈피()는 온도()에서 증기압() 하에서의 증발 엔탈피()와 거의 같다. 단, 증기가 이상 기체로 간주할 수 있는 경우에만 해당한다. 기상에서 이량체를 만드는 개미산이나 아세트산과 같은 경우에는 와 가 크게 다르다. 또한, 아래 표에서 기액 평형에 있는 메탄올 증기의 가 비정상적으로 큰 것을 알 수 있다. 이것은 메탄올 증기에는 CH₃OH 분자 외에 사량체 (CH₃OH)₄가 포함되어 있기 때문이다.^[66]

25 ℃에서 증발 엔탈피와 증기의 정압 열용량 ()^[65]
물질
물 H₂O	0.032	44.0	44.0	33.6	34.4
메탄올 CH₃OH	0.170	38.1	37.5	44.0	116.0
펜탄 C₅H₁₂	0.683	26.7	26.4	120.0	123.0

일반적으로 기체 및 증기의 와 는 실제 기체의 압력이 0으로 갈 때의 극한값과 같다. 반면에 기체의 엔트로피 는 압력이 0으로 갈 때 무한대로 발산한다. 따라서 기체의 표준 엔트로피는 SSP 하에 있는 가상적인 이상 기체의 엔트로피로 정의된다. 이상 기체의 열용량과 엔탈피는 압력에 의존하지 않으므로, 실제 기체의 압력이 0으로 갈 때의 극한값으로부터 구한 와 는 SSP 하에 있는 가상적인 이상 기체의 값과 같다.

6. 3. 용액의 표준 상태

용매의 표준 상태는 순용매의 표준 상태와 같다.

용질의 표준 상태는 질량 몰랄 농도 1 mol/kg의 가상적인 이상 묽은 용액이다. 이 가상 용액은 용질과 용매의 상호 작용은 실제 용액과 완전히 같지만, 용질끼리의 상호 작용은 전혀 존재하지 않는 용액이다. 실제 용액에서는 농도 영의 극한에서 용질끼리의 상호 작용이 영이 된다. 따라서, 용액 반응의 표준 반응 엔탈피($\Delta_{r}H^{\circ}$), 표준 반응 엔트로피($\Delta_{r}S^{\circ}$), 표준 용해 엔탈피($\Delta_{sol}H^{\circ}$)는 모두 무한 희석 상태로 외삽한 값으로 얻어진다. 예를 들어 표준 중화 엔탈피($\Delta_{n}H^{\circ}(25^{\circ}C) = -55.8$ kJ/mol)는 강산과 강염기의 중화 엔탈피를 농도를 바꿔 여러 번 측정하고, 측정 결과를 농도 영의 극한으로 외삽하여 얻은 값이다.^[67]

용질 성분 B의 부분 몰 부피($V_{B}$)나 부분 몰 열용량($C_{p, B}$)과 같은 부분 몰량 또한 무한 희석의 극한에서 $V_{B}^{\circ}$나 $C_{p, B}^{\circ}$로 수렴한다. 그에 반해, 부분 몰 기브스 에너지 즉 화학 퍼텐셜은 무한 희석의 극한에서 음의 무한대로 발산한다. 따라서, 온도 T에서 용질 성분 B의 표준 화학 퍼텐셜($\mu_{B}^{\circ}(T)$)은 표준 온도 압력(SSP)하에 있는 질량 몰랄 농도 1 mol/kg의 가상적인 이상 묽은 용액에서의 화학 퍼텐셜로서 다음 식으로 정의한다.

$\mu_\text{B}^\circ(T) = \lim_{\text{all}\, m_i \rightarrow 0} [\mu_\text{B}(T,p^\circ,m_1,m_2,...) - RT\ln (m_\text{B}/m^\circ)]$

여기서 $p^{\circ}$는 SSP, $m_{i}$는 i번째 용질 성분의 질량 몰랄 농도, R은 기체 상수, $m^{\circ}$는 1 mol/kg이며, $\mu_{B}(T, p^{\circ}, m_{1}, m_{2}, ...)$는 실제 용액에서의 성분 B의 화학 퍼텐셜이다. 이 정의에 의해, 용질 성분 B의 표준 화학 퍼텐셜($\mu_{B}^{\circ}(T)$)은 $V_{B}^{\circ}$나 $C_{p, B}^{\circ}$와 마찬가지로 용액의 농도 $\boldsymbol{m} = (m_{1}, m_{2}, ...)$에는 의존하지 않는 값이 된다. SSP하에서의 실제 용액의 성분 B의 화학 퍼텐셜은 $\mu_{B}^{\circ}(T)$를 사용하면

$\mu_\text{B}(T,p^\circ,\boldsymbol m) = \mu_\text{B}^\circ(T) + RT\ln (m_\text{B}/m^\circ) + RT\ln \gamma_\text{B}(T,p^\circ,\boldsymbol m)$

로 표현된다. 여기서 $\gamma_{B}(T, p^{\circ}, \boldsymbol{m})$는 성분 B의 활동도 계수이며, 온도, 압력, 농도의 함수이다.

용질의 표준 상태의 정의는 용매의 표준 상태의 정의와 비교하여 복잡하다. 그러나 표준 상태를 이렇게 정의하면 용질 성분 간의 상호 작용에 의한 이상 용액으로부터의 어긋남을 모두 활동도 계수 $\gamma_{B}$에 넣을 수 있다. 용액의 비이상성이 표준 상태에 포함되지 않는 것이 이 정의의 핵심이다.^[68]

참조

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_[38] 서적 Compressed Gas Handbook https://books.google[...] Springer 2012-12-06
_[39] 서적 Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge https://www.faa.gov/[...] U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration 2016
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_[41] 서적 Standard Atmosphere https://www.iso.org/[...] International Organization for Standardization 1975
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_[43] 서적 Gas analysis - Vocabulary https://www.iso.org/[...] International Organization for Standardization 2015
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_[47] 서적 Excel HSC Chemistry Pocket Book Years 11–12 Pascal Press 2001
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_[50] 간행물 日本熱測定学会 ICCT2008で発表したポスター
_[51] 서적 グリーンブック
_[52] 문서 CODATA Value
_[53] 서적 長野 (2004)
_[54] 서적 長野 “標準状態圧力の成立過程”
_[55] 서적 アトキンス物理化学要論
_[56] 문서 SSPと同時にSTPが変更されたと考えるなら1982年頃であり、Gold bookの第2版が出版された時点で初めて推奨されたと考えるなら1997年である。
_[57] 서적 JIS K 0211:2013
_[58] 문서 STPと同様に、時代や地域や分野が違えば、別の条件がNTPと呼ばれうる。
_[59] 문서 これは1990年頃より前のSTPであり、NTPと同じである。
_[60] 서적 ボール物理化学
_[61] 웹사이트 コトバンク『標準状態』
_[62] 서적 グリーンブック
_[63] 서적 バーロー『物理化学』
_[64] 서적 バーロー『物理化学』
_[65] 웹사이트 NIST Chemistry WebBook
_[66] 서적 ルイス＝ランドル熱力学
_[67] 서적 化学便覧
_[68] 서적 アトキンス物理化学小辞典
_[69] 웹사이트 Compendium of Terminology http://www.iupac.org[...] 1997
_[70] 웹사이트 NIST Standard Reference Data Base 7 Users Guide http://www.nist.gov/[...] 1969-12
_[71] 간행물 Stationary source emissions – Measurement of velocity and volume flow rate of gas streams in ducts http://www.iso.org/i[...] 국제 표준화 기구
_[72] 서적 Handbook of Physics and Chemistry CRC Press
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