空气比热容比的测定.doc

实验5-7 空气比热容比的测定理想气体的定压比热容和定容比热容之间满足关系：-，其中为气体普适常数；二者之比=称为气体的比热容比，也称气体的绝热指数，它在热力学过程特别是绝热过程中都是很重要的参量，在热力学理论及工程技术的实际应用中起着重要的作用。例如：热机的效率及声波在气体中的传播特性都与空气的比热容比有关。【实验目的】1用绝热膨胀法测定空气的比热容比。2观测热力学过程中的状态变化及基本物理规律。3学习空气压力传感器及电流型集成温度传感器的原理和使用方法。【实验器材】贮气瓶（含瓶、阀门、橡皮塞、打气球）、扩散硅压力传感器及同轴电缆、电流型集成温度传感器AD590及同轴电缆、数字电压表（三位半、四位半各一只）、直流稳压电源（）、电阻箱（取值）、导线、Forton式气压计。【实验原理】实验测量空气比热容比的装置如图5-7-1所示。设处于环境压强及室温下的空气状态称为状态O（，）。关闭放气阀2、打开进气阀1，用充气球6将原处于环境压强、室温状态下的空气经进气阀1压入贮气瓶7中。打气速度很快时，此过程可近似为一个绝热压缩过程，瓶内空气压强增大、温度升高。关闭进气阀1，气体压强稳定后，达到状态（，）。随后，瓶内气体通过容器壁和外界进行热交换，温度逐步下降至室温，达到状态（，），这是一个等容放热过程。迅速打开放气阀，使瓶内空气与外界大气相通，当压强降至时立即关闭放气阀。此过程进行非常快时，可近似地为一个绝热膨胀过程，瓶内空气压强减小、温度降低。当气体压强稳定后，瓶内空气达到状态（，）。随后，瓶内空气通过容器壁和外界进行热交换，温度逐步回升至室温，达到状态IV（，）,这是一个等容吸热过程。整个过程可表示为：O（，）绝热压缩（，）（，）等容放热（，）（，） 绝热膨胀（，）（，） 等容吸热IV（，）其中过程、对测量没有直接影响；这两个过程的目的是获取温度等于环境温度的压缩空气，同时可以观察气体在绝热压缩过程及等容放热过程中的状态变化。对测量结果有直接影响的是、两个过程。过程是一个绝热膨胀过程，满足理想气体绝热方程： （5-7-1）过程是一个等容吸热过程，满足理想气体状态方程： （5-7-2）将公式（5-7-2）代入公式（5-7-1），消去可得：两边取对数，得：整理得： （5-7-3）图5-7-1 实验装置及连线示意图1-进气活塞C1 2-放气活塞C2 3-AD590温度传感器4-气体压力传感器 5-703胶粘剂 6-充气球 7-贮气瓶根据公式（5-7-3），只要测出环境压强、瓶内气体在绝热膨胀前的压强及放气后经等容吸热回升至室温时的压强，即可计算出空气的比热容比。【实验内容】1按图5-7-1接好仪器的电路。开启电源，然后，用调零电位器将三位半数字电压表读数调到零。注：AD590的正负极请勿接错（红导线为正极、黑导线为负极）。2通过AD590四位半数字电压表读出此时的室温，大气压为1个标准大气压。3关闭放气阀2、打开进气阀1，用充气球将原处于环境大气压强、室温状态下的空气经进气阀1压入贮气瓶中，当三位半数字电压表读数介于120到160mV时，关闭进气阀1并停止充气；观察并记录此过程中瓶内气体压强和温度的变化。4静待一段时间，待瓶内空气温度降至室温；记录仪器三位半数字电压表读数并计算出瓶内气体的压强：。5打开放气阀2，当贮气瓶内的空气压强降低至环境大气压强时（放气声刚刚消失时），迅速关闭放气阀2；观察并记录此过程中瓶内气体压强和温度的变化。6静待一段时间，待瓶内空气温度升至室温；记录三位半数字电压表读数并计算出瓶内气体的压强：。7利用公式（5-7-3）计算空气的比热容比值。8假定过程是准静态的，在坐标纸上以半定量的方式作出反映系统内空气状态由O（，）（，）（，）（，）以及系统内空气状态由（，）IV（，）过程的PV变化曲线（注意曲线的走向、斜率的变化）。9重复3、4、5、6、7步三次，由三次测量的、值计算平均值、标准偏差，写出测量结果表达式。【数据处理】表5-7-1 空气比热容比的测定 P0= Pa。次数P2(mV)P2(105Pa)P3(mV)P3(105Pa)T0(mV)【注意事项】1由于不同扩散硅压力传感器的灵敏度各不完全相同，请勿相互借用不同组号的测定仪或贮气瓶。2本实验所用的贮气瓶、进气阀、放气阀及其连接管均由玻璃材料制成的，属易碎品，实验中连线、关闭/开启阀门、用充气球充气时均要小心、仔细。3连接电路时要注意AD590温度传感器输出极性及电源输出电压的大小（实验时应先将其输出调至6V再接入回路）。4压力传感器及数字电压表需预热和调零，待零点稳定后方可进行实验。5由于热学实验受外界环境因素，特别是温度的影响较大，测量过程中应随时留意环境温度的变化。测量时只要做到瓶内气体在放气前降低至某一温度，放气后又能回升到同一温度即可，这一温度不一定等于充气前的室温。6放气时要迅速，并密切注意压力传感器输出数值的变化，一旦压力输出指示为零，立即关闭放气阀。【思考题】1. 本实验为何采用温度传感器？用水银温度计是否可以？2. 本实验内容的第5步要求“放气声刚刚消失时，迅速关闭放气阀2”，为什么？如果关闭较晚会有什么后果？3. 温度测量值在计算公式中并没有出现，你认为设置温度测量的意义何在？4. 做出本实验研究过程的系统变化的图。【仪器介绍】FD-NCD空气比热容比测定仪用AD590电流型集成温度传感器取代水银温度计来测量瓶内空气温度。AD590是一种利用半导体PN结的伏安特性与温度之间的关系制成的恒流源形式的固态传感器（它将感温器件与外围电路集成于同一芯片，测量灵敏度高、线性好，测温范围为-50150），只需在其两端加上一定的工作电压（），其输出的电流将随瓶内气体温度作线性变化，灵敏度为/；串接的电阻后，可在电阻上产生/的电压信号，将此电压输入量程的四位半数字电压表，可探测到最小为0.02的温度变化。实验时只需将四位半数字电压表中的读数除以5即可得瓶内空气的热力学温度。FD-NCD空气比热容比测定仪用PT14扩散硅压力传感器取代水银压强计来测量瓶内空气压强与外界压强的差值。扩散硅压力传感器是在半导体（硅）材料的基片上采用集成电路的工艺制成扩散电阻，以使应变计与硅衬底形成同一整体的传感器。它是在一定晶向的硅膜片的预定位置扩散一组压力敏感栅，并将其连接构成惠斯通电桥。由于膜片受到的压力与桥路的输出呈线性变化关系，因而只要测定桥路的输出电压即可得压力的大小。扩散硅压力传感器的工作原理是基于半导体的压阻效应：半导体受到应力作用时，其载流子的数目、平均迁移率等将发生变化，进而引起电阻值的改变；它具有应变电阻效应高、传递应变的灵敏度高等特点。实验时，由PT