水的密度和相对密度：温度、压力条件与工程计算

水的密度不是在所有工况下都等于 1000 kg/m³。按照 NIST 推荐的无空气水计算式，20 ℃时密度约为 998.20675 kg/m³，4 ℃附近约为 999.97495 kg/m³。温度继续升高时，液态水密度总体下降；高温下还必须同时说明压力和水的相态。

相对密度也不是一个脱离条件的固定数字。它是被测流体密度与指定参考物质密度的比值，没有单位。写相对密度时，应同时注明被测温度、被测压力、参考物质及其参考温度和压力。

快速结论

• • 密度的 SI 单位是 kg/m³，计算式为 ρ = m/V；
• • 20 ℃无空气水密度约为 998.20675 kg/m³，不应无条件写成 1000 kg/m³；
• • 相对密度必须有参考条件，例如 d(20 ℃/4 ℃)；
• • 100 ℃以上的液态水必须说明压力或饱和状态，不能只列温度；
• • 阀门流量计算应使用运行工况密度或经明确定义的相对密度。

质量密度为质量除以体积，符号为 ρ，SI 单位为 kg/m³。密度的倒数是比容，符号为 v，单位为 m³/kg。

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一、密度、相对密度、比重和重量密度有什么区别？

密度

密度表示单位体积所含的质量：

ρ = m/V

其中，ρ 为密度，m 为质量，V 为体积。常用单位包括 kg/m³ 和 g/cm³，二者关系为：

1 g/cm³ = 1000 kg/m³

相对密度

相对密度是两种密度的比值：

d = ρ_sample(T,p) / ρ_ref(T_ref,p_ref)

它是无量纲量，没有 kg/m³ 或 g/cm³ 单位。NIST 收录的 IUPAC 资料指出，相对密度应写明样品温度和压力，以及参考物质的温度和压力；液体常以指定条件下的水作为参考。

重量密度

重量密度表示单位体积的重力，计算式为 γ = ρg，单位为 N/m³。它受当地重力加速度影响，不等于质量密度。工程中写“水重度”时也应给出所采用的 g 值。

二、0～40 ℃低压液态水的密度和相对密度

下表采用无空气水计算式。该式适用于 0～40 ℃，结果单位为 kg/m³。表中相对密度定义为同一计算条件下 ρ(t)/ρ(4 ℃)，其中 ρ(4 ℃) = 999.97495 kg/m³。

实验室中的纯水通常会溶解空气，空气饱和修正约为 1～4 ppm。普通工程估算时，这一差别往往小于温度、压力和测量误差带来的影响；计量校准或高精度质量测量则应按实际水样、压力、空气含量和不确定度要求计算。

三、饱和液态水的温度、压力和密度对照表

100 ℃以上若要保持液态水，系统必须有足够压力。所以下表不是“固定压力下的水密度表”，而是普通纯水沿汽液饱和曲线的饱和液体数据。每一个温度都对应不同的饱和绝对压力。

不能横向混用两张表：第一张表用于 0～40 ℃无空气液态水的低压参考；第二张表描述汽液饱和边界。即使温度相同，压力条件不同，密度也会有细微差别。高温高压压缩水、过热蒸汽和两相混合物需要按实际温度、压力及相态另行计算。

四、为什么水在 4 ℃附近密度最大？

常压液态水在约 4 ℃附近达到最大密度。由 NIST GLP 10 计算式可见，4 ℃时无空气水密度约为 999.97495 kg/m³；0 ℃时约为 999.84283 kg/m³，20 ℃时约为 998.20675 kg/m³。

这意味着水从 4 ℃升温或继续冷却到接近冰点时，体积都会发生变化。普通液体往往随降温持续收缩，但水在接近冰点区域表现出反常膨胀。工程应用仍需考虑容器约束、冻结膨胀、溶质及实际压力，不应仅凭密度最大点判断防冻安全。

五、怎样根据密度计算质量、体积和质量流量？

密度可以在质量、体积和体积流量之间换算。必须使用与实际温度、压力和相态相匹配的密度值。

质量计算

m = ρV

例如，按 20 ℃无空气水密度 998.20675 kg/m³ 计算，2.000 m³ 水的质量约为：

m = 998.20675 × 2.000 = 1996.41 kg

体积计算

V = m/ρ

1000 kg、20 ℃的水按上述密度计算，体积约为：

V = 1000 ÷ 998.20675 = 1.00180 m³

质量流量计算

ṁ = ρQ

若 20 ℃水的体积流量为 10.0 m³/h，则质量流量约为：

ṁ = 998.20675 × 10.0 = 9982.07 kg/h

这些结果是根据给定温度和规定密度模型计算的示例。实际计量还可能需要压力、流量计标定状态、温度分布、气泡及水中溶质修正。

六、相对密度应该怎样标注和计算？

相对密度的完整写法应让读者看出分子和分母的条件。以本文第一张表为例：

d(t/4 ℃) = ρ_water(t) / ρ_water(4 ℃)

20 ℃相对于 4 ℃参考水的相对密度为：

d(20/4) = 998.20675 ÷ 999.97495 = 0.99823175

若其他资料采用 15 ℃、20 ℃或 60 °F 的水作为参考，数值会改变。常见的 SG = 1 只能表达近似关系，不能说明采用了哪一个参考条件。软件、仪表或阀门计算表要求输入 SG 时，应先查看其定义，不要默认所有系统都使用 4 ℃水。

七、水密度在阀门工程中怎样使用？

1. 体积流量与质量流量换算

阀门处理的是实际工况流体。若工艺给出质量流量而选型软件要求体积流量，或反过来，就要使用运行温度和压力下的密度换算。高温水不能继续按 1000 kg/m³处理。

2. 流量系数和压差计算

部分液体阀门计算公式使用相对密度或 SG。此时应按所用标准、制造商软件或数据表的定义输入，尤其要确认参考温度和压力。

3. 静液柱压力

静止液体的高度差可产生压力差，基础关系为 Δp = ρgh。采用标准重力加速度 9.80665 m/s²作示例，10 m 高、20 ℃水柱对应压力差约为 97.89 kPa。现场计算应采用实际密度、液位差和项目规定的重力加速度。

4. 汽蚀和闪蒸判断

密度会影响流量计算，但仅凭密度不能判断汽蚀或闪蒸。还要比较局部绝对压力与介质蒸气压，并考虑阀门压力恢复特性。水的饱和压力可参阅本站水的饱和压力表。

5. 材料、执行机构和密封选择

水的密度不等于介质兼容性。选阀仍须提供水质、溶解物、温度、压力、压差、流量、固体颗粒、腐蚀性、连接和失效位置。

八、使用水密度表时常见的错误

1. 1. 不写温度和压力。 密度是状态量，只写“水密度为 1000 kg/m³”信息不完整。
2. 2. 把密度和相对密度当成同一量。 密度有单位，相对密度没有单位。
3. 3. 把“比重”当作明确术语。 未写参考物和参考条件的比重值可能存在多种解释。
4. 4. 100 ℃以上仍按常压液态水处理。 高温液态水必须有足够压力，或明确处于饱和液体状态。
5. 5. 将饱和液体密度用于压缩水。 相同温度下压力不同，密度会变化。
6. 6. 把 g/cm³ 数值直接当 kg/m³。 两者相差 1000 倍。
7. 7. 用换算增加虚假精度。 原始温度和体积测量不准确，输出再多小数也不会提高结果质量。
8. 8. 忽略溶解盐和其他组分。 海水、盐水、防冻液及工艺溶液不能直接套用纯水表。
9. 9. 把液体密度用于汽液两相混合物。 两相流需要空隙率、干度或相含率等附加信息。
10. 10. 在临界点以上继续查饱和液体表。 临界点以上不存在通常意义上的汽液相界面。

九、常见问题

1. 20 ℃水的密度是多少？

按 NIST 推荐的无空气水计算式，20 ℃时密度约为 998.20675 kg/m³，即 0.99820675 g/cm³。高精度使用时还要说明压力、溶解空气、水质和测量不确定度。

2. 4 ℃水的密度是否正好是 1000 kg/m³？

不是正好。按本文采用的 NIST 计算式，4 ℃无空气水密度约为 999.97495 kg/m³。1000 kg/m³是常用近似值。

3. 水的相对密度是不是永远等于 1？

不是。相对密度取决于水的状态和规定的参考状态。本文定义下，20 ℃水相对于 4 ℃参考水的相对密度约为 0.99823175。

4. 水的密度为什么随温度变化？

温度变化会改变分子热运动和单位质量所占体积，所以密度随之变化。水在约 4 ℃附近达到常压液态区的最大密度，向冰点冷却或向高温升温时密度都会降低。

5. 100 ℃液态水的密度是多少？

沿汽液饱和曲线，100 ℃时饱和液体密度约为 958.347 kg/m³，对应饱和绝对压力约为 0.101418 MPa。若实际压力更高，密度应按实际温度和压力重新计算。

6. 1 m³水是否一定等于 1 吨？

不一定。1 m³、20 ℃无空气水按本文数据约为 998.21 kg。工程上把 1 m³水近似看作 1 吨，只适合允许这种误差的粗略估算。

7. 水的密度可以直接用于阀门口径计算吗？

密度只是选型输入之一。还需要阀前压力、阀后压力、流量、温度、蒸气压、黏度、相态、允许噪声及阀门特性等数据。具体计算应按适用标准和制造商方法完成。

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本文数据用于普通纯水物性查询和工程初步核对，不构成具体阀门、仪表或工艺系统的设计结论。若需要按实际水、蒸汽或高温压缩水工况选阀，请准备介质成分、温度、阀前压力、阀后压力、流量、口径、连接、材料和失效位置等资料。

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