Đơn vị đo thể tích: m³, lít, gallon và bảng quy đổi

Đơn vị đo thể tích trong hệ SI là mét khối (m³), tức thể tích của hình lập phương cạnh 1 m. Trong đời sống và công nghiệp, lít (L) được dùng phổ biến hơn vì tiện cho dung tích nhỏ, với 1 L đúng bằng 1 dm³. Ở Mỹ và Anh, chất lỏng lại đo bằng gallon, quart, pint, nên khi đọc catalogue thiết bị nhập khẩu rất dễ nhầm.

Bài này đi từ khái niệm, các đơn vị đo thể tích hệ mét và hệ Mỹ – Anh, bảng quy đổi, cách đổi sang khối lượng, đến tính thể tích bồn, đường ống, bình tích áp và các dụng cụ đo thực tế.

Thể tích là gì và khác dung tích ở đâu

Thể tích (ký hiệu V) là phần không gian mà một vật chiếm chỗ. Với khối hộp, V = dài × rộng × cao; với hình trụ, V = π·D²/4 × H. Vật có hình dạng phức tạp thì được đo bằng cách đo lượng nước mà nó đẩy ra, hoặc tính bằng tích phân trong thiết kế.

Dung tích là khả năng chứa của một vật chứa: thể tích bên trong bồn, chai, can. Một can ghi dung tích 20 L nghĩa là thể tích bên trong chứa được 20 L, còn thể tích của chính chiếc can (cả vỏ nhựa) là con số khác. Ngoài đời thường hai từ này dùng lẫn lộn, nhưng khi tính toán thiết kế bồn phải phân biệt thể tích thiết kế (đến miệng bồn) và thể tích làm việc (đến mức chất lỏng cho phép).

Thể tích cũng là nền tảng của đơn vị đo lưu lượng: lưu lượng là thể tích chảy qua trong một đơn vị thời gian, ví dụ m³/h hay L/min.

Đơn vị đo thể tích hệ mét: m³, lít, mL, cm³

Hệ mét suy ra đơn vị thể tích từ đơn vị chiều dài, và mỗi bậc liền kề hơn kém nhau 1000 lần (vì 10³ = 1000, do thể tích là lập phương của chiều dài). Đơn vị lít không thuộc SI chính thức nhưng được SI chấp nhận dùng chung, với 1 L = 1 dm³ = 0,001 m³ và 1 mL = 1 cm³.

Trong thực tế bảo trì, ba đơn vị đo thể tích dùng nhiều nhất là m³ (bồn, bể, đồng hồ nước), L (can, thùng, bình tích áp) và mL hoặc cm³ (bơm định lượng, xi lanh, phòng thí nghiệm). Mililit là đơn vị đo thể tích dùng khi pha hóa chất xử lý nước hoặc đo lượng dầu bôi trơn. Ví dụ bơm định lượng cấp 500 mL/h nghĩa là mỗi giờ bơm 0,5 L, tức 0,0005 m³; viết sai bậc này sẽ làm lượng hóa chất lệch hàng nghìn lần.

Đơn vị đo thể tích hệ Mỹ và hệ Anh

Hai hệ này dùng đơn vị đo thể tích riêng, tính theo gallon và feet, và vẫn xuất hiện trên bơm, bình áp lực, thiết bị nhập khẩu từ Mỹ. Cùng tên nhưng giá trị của Mỹ và Anh khác nhau, nên khi catalogue ghi gal cần xác nhận là US gal hay UK (imperial) gal.

Các đơn vị theo kích thước dài thì dùng chung: 1 ft³ = 28,317 L, 1 in³ = 16,387 mL, 1 yd³ = 764,555 L. Trong ngành dầu khí, 1 barrel dầu = 42 US gal = 158,987 L (≈ 159 L).

Vì sao gallon Mỹ khác gallon Anh

Gallon Mỹ có gốc từ gallon rượu vang của Anh cũ, được định nghĩa là 231 in³ (≈ 3,785 L). Năm 1824 Anh thống nhất lại thành gallon imperial, định nghĩa theo thể tích 10 lb nước (khoảng 4,546 L, sau này cố định bằng 4,546 09 L). Mỹ giữ gallon cũ, nên hai hệ lệch nhau khoảng 20%. Với bơm, bình khí nén hay thùng chứa nhập khẩu, đọc nhầm hai loại gallon làm sai thể tích khoảng 17–20 %.

Bảng quy đổi đơn vị đo thể tích thường dùng

Bảng dưới đây ghi giá trị tương đương của 1 m³ và 1 L theo các đơn vị đo thể tích thường gặp.

Các hệ số trên dựa trên 1 US gal = 3,785 411 784 L, 1 UK gal = 4,546 09 L, 1 ft³ = 28,316 85 L, 1 bbl = 158,987 L. Phép đổi giữa hai đơn vị đo thể tích phổ biến nhất, kèm các mốc 1 m³, 10 m³, 100 m³, có trong bài đổi mét khối sang lít.

Những sai sót thường gặp khi quy đổi đơn vị đo thể tích

Sai sót hay gặp nhất là nhầm bậc của đơn vị thể tích. Vì thể tích là lập phương của chiều dài, đổi từ cm³ sang m³ phải chia cho 1 000 000 chứ không phải 100 hay 1000: 1 m = 100 cm thì 1 m³ = 100³ = 1 000 000 cm³. Người mới làm bảo trì thường nhân hệ số đơn vị dài mà quên lũy thừa ba.

Sai sót thứ hai là lẫn gallon Mỹ với gallon Anh như đã nêu, và thứ ba là bỏ qua nhiệt độ khi đo chất lỏng giãn nở nhiều như xăng dầu. Trước khi đổi, nên viết rõ đơn vị gốc, đơn vị đích và hệ số, rồi kiểm tra bậc độ lớn của kết quả: 1 m³ không thể ra vài lít.

Quy đổi thể tích sang khối lượng

Muốn đổi thể tích sang khối lượng phải biết khối lượng riêng ρ của chất: m = ρ·V, với ρ tính bằng kg/m³ và V bằng m³ (hoặc kg/L và L). Khối lượng riêng chỉ là hằng số khi chất lỏng ở một nhiệt độ xác định, vì nhiệt độ tăng làm các phân tử giãn ra, thể tích tăng, ρ giảm.

• Nước: ρ ≈ 1000 kg/m³ ở khoảng 4 °C (cực đại), 998 kg/m³ ở 20 °C, 958 kg/m³ ở 100 °C.
• Dầu diesel: khoảng 820–860 kg/m³ ở 15 °C (tham khảo, tùy tiêu chuẩn nhiên liệu và nhà cung cấp).

Ví dụ: 1 m³ nước ở 20 °C nặng khoảng 998 kg; 10 m³ diesel (lấy 840 kg/m³) nặng khoảng 8400 kg. Con số 1 L nước = 1 kg chỉ là xấp xỉ, và thể tích 1000 L nước ở 20 °C khi bị nung lên 80 °C (ρ ≈ 972 kg/m³) sẽ nở thành khoảng 1027 L, tức tăng khoảng 2,7%.

Mức nở này là lý do hệ thống nước nóng kín luôn có bình giãn nở. Với dầu diesel, hệ số giãn nở thể tích khoảng 0,08–0,09 % mỗi °C (tham khảo), xăng còn lớn hơn, nên khi đo thể tích để giao nhận dầu cần ghi nhiệt độ và quy về nhiệt độ chuẩn nếu hợp đồng yêu cầu.

Tính thể tích bồn chứa và đường ống

Ba dạng cần tính nhiều nhất là bồn trụ đứng, bồn trụ nằm và đường ống. Kết quả tính theo m³, sau đó đổi sang lít hoặc gallon theo bảng đơn vị đo thể tích ở trên.

Thể tích bồn trụ đứng và bồn trụ nằm

Bồn trụ đứng đường kính trong D, chiều cao chất lỏng H: V = π·D²/4 × H. Ví dụ D = 2 m, H = 3 m cho V ≈ 9,42 m³ = 9425 L. Bồn đang chứa nước hoặc dầu thường chỉ đầy đến mức làm việc, nên phải tính theo H thực chứ không phải chiều cao bồn.

Bồn trụ nằm có chiều dài L, bán kính R, đầy hoàn toàn thì V = π·R²·L (chưa tính hai đáy cong). Khi đầy một phần thì thể tích tính theo công thức hình viên phân, nên không tỉ lệ thẳng với chiều cao chất lỏng.

Ví dụ bồn D = 1,5 m, L = 4 m đầy đúng một nửa chiều cao chứa chính xác một nửa tổng thể tích, ≈ 3,53 m³, nhưng ở 1/4 chiều cao (h = D/4) chỉ chứa khoảng 19,6%, thấp hơn mức 25% mà ta hay đoán theo cảm tính (gần đúng, cần đối chiếu bảng dung tích của nhà chế tạo; chưa tính đáy cong).

Thể tích nước trong đường ống

Thể tích chứa trong ống: V = π·D²/4 × L, với D là đường kính trong. Đây là chỗ dễ sai: DN là kích thước danh nghĩa, đường kính trong thực tế còn phụ thuộc độ dày thành, như trong đường kính trong theo DN. Ví dụ 100 m ống thép DN100 SCH40 (đường kính trong 102,26 mm) chứa π/4 × 0,10226² × 100 ≈ 0,821 m³, tức khoảng 821 L nước. Giá trị này quyết định lượng nước cần xả, nạp và thử áp khi bảo trì.

Bình tích áp và thể tích nước hữu ích

Bình tích áp có túi khí nén trước ở áp suất P0. Thể tích khí tự do bị nén theo định luật Boyle (T không đổi): P·V = hằng số, với P là áp suất tuyệt đối, tức áp suất đọc trên đồng hồ cộng thêm khoảng 1,013 bar. Thể tích nước hữu ích giữa áp thấp P1 (bơm đóng) và áp cao P2 (bơm ngắt) là Vh = V0·P0·(1/P1 − 1/P2).

Ví dụ: bình 100 L nạp trước 2,8 bar g (3,813 bar tuyệt đối), bơm đóng ở 3 bar g (4,013 bar abs) và ngắt ở 5 bar g (6,013 bar abs). Vh = 100 × 3,813 × (1/4,013 − 1/6,013) ≈ 31,6 L, nghĩa là chỉ khoảng 32% dung tích bình là nước dùng được. Nếu dùng áp suất đọc trên đồng hồ mà không cộng áp khí quyển thì kết quả sai rõ rệt.

Điểm đóng và ngắt do công tắc áp suất quyết định, nên thể tích hữu ích phụ thuộc trực tiếp vào khoảng chênh đóng–ngắt của công tắc áp suất; khoảng chênh càng hẹp thì bơm càng phải khởi động thường xuyên.

Dụng cụ đo thể tích và đơn vị đo thể tích hiển thị

Cách đo phụ thuộc vào mức chính xác và quy mô thể tích cần đo, và mỗi cách thường cho kết quả theo một đơn vị đo thể tích khác nhau.

• Dụng cụ chia vạch: ống đong, pipet, burette, bình định mức dùng trong phòng thí nghiệm. Chọn dụng cụ có thể tích gần với lượng cần đo để vạch chia nhỏ nhất, đặt trên mặt phẳng và đọc ở đáy mặt khum của chất lỏng ngang tầm mắt. Dụng cụ thủy tinh chuẩn thường được chia cấp chính xác A hoặc B.
• Đồng hồ cộng dồn: đồng hồ đo nước cộng dồn tổng thể tích đã chảy qua, hiển thị bằng m³; các chữ số phụ ở cuối thể hiện phần lẻ dưới 1 m³. Thể tích sử dụng trong kỳ là hiệu hai lần đọc chỉ số.
• Đo mức bồn: đo chiều cao chất lỏng rồi nhân với diện tích đáy (bồn trụ đứng) hoặc tra bảng dung tích. Cảm biến mức thủy tĩnh, siêu âm hay radar đo chiều cao; thể tích được tính từ hình học bồn.

Với phép đo thể tích bằng đồng hồ hoặc cảm biến, kết quả luôn gắn với nhiệt độ, và nên ghi kèm đơn vị đo thể tích cùng điều kiện đo để các bên đối chiếu được.

Đơn vị đo thể tích cổ của Việt Nam

Người Việt từng dùng nhiều đơn vị đo thể tích dân gian, như thưng, đấu, hộc, giạ, cùng các đơn vị bán lẻ như xị, chai, bát. Các đơn vị này không được quy chuẩn trong hệ đo lường hiện hành và giá trị khác nhau theo từng vùng, từng thời kỳ, nên không nên dùng cho tính toán kỹ thuật.

Nếu gặp tài liệu cũ ghi các đơn vị này, hãy quy về lít hoặc m³ theo chú thích riêng của tài liệu hoặc đo thực tế bằng dụng cụ chia vạch, thay vì lấy một hệ số chung. Trong công nghiệp hiện nay, đơn vị đo thể tích hợp pháp là hệ SI, nên mọi đơn vị cổ cần được đổi về lít hoặc m³. Tham khảo thêm danh sách đầy đủ tại Unit of volume (Wikipedia).

Tư vấn quy đổi và chọn thiết bị theo thể tích

Khi cần chọn bình tích áp, đồng hồ nước hay bồn chứa theo thể tích, hãy cung cấp dung tích mong muốn, đơn vị trong catalogue, áp suất làm việc và điều kiện lắp đặt. Viva hỗ trợ kiểm tra thông số, quy đổi đơn vị đo thể tích và đề xuất thiết bị phù hợp. Quý khách có thể trao đổi trực tiếp tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.

Câu hỏi thường gặp về đơn vị đo thể tích