甲烷的密度

甲烷的密度是多少？你上网一查，会得到一个数字：0.717千克/立方米。这个数字是对的，但又不完全对。因为它漏掉了一个关键信息：条件。说任何气体的密度，如果不提温度和压力，那基本等于没说。

为什么？因为甲烷是气体。气体和液体、固体不一样，它很“随性”，很容易被压缩，也容易膨胀。想象一下一个房间里的人，天气热的时候，大家会散得很开，每个人占的空间都大，房间里的人就显得稀疏。天气冷了，大家会挤在一起取暖，每个人占的空间变小，房间里的人就显得密集。甲烷分子就是这些小人。

所以，讨论甲烷的密度，我们必须先定好两个规矩：温度和压力。上面那个0.717千克/立方米，是在一个叫“标准状况”的条件下测出来的。标准状况指的是0摄氏度（273.15 K）和1个标准大气压（101.325 kPa）。这是全世界科学家为了方便比较，定下的一个通用参考点。

我们先拆开来看，温度是怎么影响甲烷密度的。
温度升高，甲烷分子的运动会变得剧烈。它们跑得更快，撞得更猛，互相之间推得更远。结果就是，同样质量的甲烷，会占据更大的体积。根据密度的公式：密度 = 质量 / 体积。质量不变，体积增大了，密度自然就变小了。
举个例子，在0摄氏度时，1立方米的甲烷重0.717千克。但如果把温度提高到20摄氏度（一个常见的室温），在同样的大气压下，它的密度会降到大约0.668千克/立方米。你看，只是温度变了一下，密度就差了将近7%。这个差距在工业上可不是小数字。

接着说压力。压力对密度的影响更直接。
压力增大，相当于有一股外力在使劲把甲烷分子往一起挤。分子之间的空隙被压缩，它们只能靠得更近。结果就是，同样质量的甲烷，占据的体积变小了。质量不变，体积减小，密度就增大了。
还是用数据说话。在0摄氏度，1个标准大气压下，密度是0.717千克/立方米。如果我们保持温度不变，把压力加到2个标准大气压，密度几乎会翻倍，变成大约1.434千克/立方米。所以，高压天然气管道里的甲烷，密度比我们平时呼吸的空气里的甲烷要大得多。

理解了温度和压力的影响，你就能明白为什么天然气交易这么复杂了。
我有个朋友在燃气公司工作，他告诉我，他们卖天然气不是按“立方米”直接收费的。比如，夏天的时候，从管道里出来的1立方米天然气，和冬天同样从管道里出来的1立方米天然气，虽然体积一样，但里面包含的甲烷分子数量是完全不一样的。冬天温度低，天然气密度大，所以1立方米里含的甲烷分子更多，能烧水做饭的时间也更长。夏天则相反。
如果直接按体积收费，那对冬天用气的用户就不公平了。
所以，他们在计量的时候，会用上温度和压力传感器。通过测量实际的温度、压力和体积，再用一个叫“理想气体状态方程”的公式，把所有数据都换算回那个“标准状况”下的体积，也就是“标方”（标准立方米）。这样一来，不管你是夏天买还是冬天买，买到的每一“标方”天然气，包含的能量都是一样的。这才叫公平交易。

这个道理也解释了另一个很酷的东西：液化天然气（LNG）。
甲烷在常温常压下是气体，密度很低，运输起来特别占地方。想把大量的甲烷从澳大利亚运到中国，如果用气体的形式，那得造一艘比航母还大无数倍的船才行。这根本不现实。
工程师们想了个办法：降温加压。他们用极低的温度，把甲烷冷却到零下162摄氏度左右。在这个温度下，甲烷会从气体变成液体。
这个变化带来的效果是惊人的。气态甲烷的密度是0.717千克/立方米，而液态甲烷的密度大约是422千克/立方米。密度一下子提高了将近600倍。
这意味着，原来需要600个集装箱才能装下的气态甲烷，现在只需要1个集装箱就能装下。这就是为什么我们能看到巨大的LNG运输船跨越重洋。它们运的不是气体，而是被极致压缩、密度极高的液态甲烷。等船到了目的地，再把液态甲烷加热，让它变回气体，输送到千家万户。整个过程的核心，就是对甲烷密度的控制和利用。

最后，还有一个日常生活中很重要的对比：甲烷和空气的密度。
我们刚才说了，标准状况下甲烷密度是0.717千克/立方米。那空气呢？同样条件下，空气的密度大约是1.29千克/立方米。
很明显，甲烷比空气轻得多，差不多只有空气密度的一半多一点。
这个特性直接决定了天然气泄漏后的安全处理方式。如果家里发生了天然气泄漏，甲烷会因为比空气轻而向上飘，聚集在天花板附近。所以，家用天然气报警器一般都装在厨房靠近天花板的位置，就是为了能第一时间检测到向上飘的甲烷。同时，开窗通风时，开高处的窗户效果会更好。
这和液化石油气（主要成分是丙烷和丁烷）完全相反。丙烷的密度比空气大，泄漏后会像水一样沉在地面上，聚集在低洼处。所以，液化气报警器要装在靠近地面的地方。不懂这个原理，报警器装错了位置，就等于一个摆设，关键时刻救不了命。

所以，下次再有人问你甲烷的密度，你不能只简单地报一个数字。你可以告诉他，这个数字会变，它取决于温度和压力。它解释了为什么天然气要按“标方”卖，为什么会有LNG船，以及为什么天然气报警器要装在上面。一个简单的密度数字背后，其实是物理学、工程学和生活安全常识的集合。