空气比热比的测定

1、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C之间满足关系：* - C = R ,其中R为气 体普适常数；二者之比Y = C P/ q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y有关。【实验目的】用绝热膨胀法测定空气的比热容比。观测热力学过程中的状态变化及基本物理规律。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

2、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（6V ）、 电阻箱（取值5kQ ）、导线、Forton式气压计。【实验原理】实验测量空气比热容比y的装置如图5-7-1所示。设处于环境压强P及室温T下的空气状态称为状态O （ P , T ）。关闭放气阀2、打0000开进气阀1,用充气球6将原处于环境压强P、室温T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1（匕，T1 ）0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T，达到状态II（ P2

3、, T），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P时立即关闭放气阀。此0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m（ P，T2）。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T，达到状态IV （ P，T ）,这是一个等容吸热过程。030整个过程可表示为：O(P，0T )绝热压缩-1（ P，1T)I(P，1T)等容放热fII（ P，T)I(P，T)0绝热膨胀一m（ p， 0T)m(P，T2)等容吸热一IV （P，3T0)其中过程、对测量y没有直接影响；这两个过程的目的是获取

4、温度等于环境温度t 0 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：(P(P，1-1(T )2-P=2- t T(5-7-1)、00 /过程是一个等容吸热过程，满足理想气体状态方程:(5-7-2)P T(5-7-2)PT2将公式（5-7-2）代入公式（5-7-1），消去T 可得：T(P )1-1 一(P)2- t Pt P030两边取对数，得: - 1)lg P = y lg P03整理得:(5-7-3)=lg p-lg 匕(5-7-3)lg p-lg p根据公式（5-7-3），只要测

5、出环境压强）、瓶内气体在绝热膨胀前的压强P2及放气后 经等容吸热回升至室温时的压强P，即可计算出空气的比热容比Y。31-进气活塞C1 2-放气活塞C2 3-AD590温度传感器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-=-ev图 5-7-1实验装置及连线示意图AD590 L【实验内容】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）。通过AD590四位半数字电压表读出此时的室温孔，大气压为1个标准大气压P。关闭放气阀2、

6、打开进气阀1，用充气球将原处于环境大气压强p、室温孔状态下 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至到 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。静待一段时间，待瓶内空气温度降至室温t；记录仪器三位半数字电压表读数竺 并计算出瓶内气体的压强P： P =匕+2/2000X105Pa。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匕时（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。静待一段时间，待瓶内空气温度升至室温T ；记录三位半数字电压表读数AP并计 TOC o 1-5 h z 03算

7、出瓶内气体的压强P : P P0 + AP3 /2000 x 105 Pa。利用公式（5-7-3）计算空气的比热容比Y值。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（P , T ）一1（ P , T ）一11（ P , T ）-m（ P , T ）以及系统内空气状态由III 00112002（P , T ）-lV （ P , T ）过程的P-V变化曲线（注意曲线的走向、斜率的变化）。 0230重复3、4、5、6、7步三次，由三次测量的Y1、Y 2、叫3值计算平均值、标准偏差，写出测量结果表达式。123【数据处理】表?-7-1 空气比热容比的测定P=Pa次数A P2

8、 (mV)(X10sPa)A P3 (mV)(X105Pa)(mV)r，-SY【注意事项】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。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。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）。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。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

9、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。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】本实验为何采用温度传感器？用水银温度计是否可以？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？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？做出本实验研究过程的系统变化的PV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

10、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-50150C）,只需在其两端加上一定的工作电压（6V ），其输出的电流将随瓶内气 体温度作线性变化，灵敏度为加A/C；串接5kQ的电阻后，可在电阻上产生5mV/C的电 压信号，将此电压输入0 2V量程的四位半数字电压表，可探测到最小为0.02C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PT14扩