空氣比熱容的測(cè)定

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1、空氣比熱容比測(cè)定實(shí)驗(yàn)在熱學(xué)中比熱容比是一個(gè)基本物理量。過(guò)去，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段的原因使得對(duì)它的測(cè)量誤差較大?，F(xiàn)在通過(guò)先進(jìn)的傳感器技術(shù)使得測(cè)量便得簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)壓力傳感器和溫度傳感器來(lái)測(cè)量空氣的比熱容比。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．用絕熱膨脹法測(cè)定空氣的比熱容比。2．觀測(cè)熱力學(xué)過(guò)程中狀態(tài)變化及基本物理規(guī)律。3．學(xué)習(xí)氣體壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器的原理及使用方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器機(jī)箱（含數(shù)字電壓表二只）、貯氣瓶、傳感器兩只（電流型集成溫度傳感器AD590和擴(kuò)散硅壓力傳感器各一只）35412壓強(qiáng)調(diào)零溫度電源3512圖1空氣比熱容比測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置圖1．進(jìn)氣活塞C12.放氣活塞C

2、23.AD590傳感器4.氣體壓力傳感器5.704膠粘劑三、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)1mol理想氣體的定壓比熱容和定容比熱容之關(guān)系由下式表式：（1）（1）式中，R為氣體普適常數(shù)。氣體的比熱容比值：（2）氣體的比熱容比現(xiàn)稱為氣體的絕熱系數(shù)，它是一個(gè)重要的物理量，值經(jīng)常出現(xiàn)在熱力學(xué)方程中。測(cè)量值的儀器如圖1所示，以到達(dá)狀態(tài)II后貯氣瓶?jī)?nèi)剩余的空氣作為研究對(duì)象，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（其中P0為環(huán)境大氣壓強(qiáng)，T0為室溫，V2表示貯氣瓶體積）1）先打開(kāi)放氣閥C2，貯氣瓶與大氣相通，再關(guān)閉C2，瓶?jī)?nèi)充滿與周圍空氣等溫等壓的氣體。2）打開(kāi)充氣閥C1，用充氣球向瓶?jī)?nèi)打氣，充入一定量的氣體，然后關(guān)

3、閉充氣閥C1。此時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣被壓縮，壓強(qiáng)增大，溫度升高。等待內(nèi)部氣體溫度穩(wěn)定，此時(shí)的氣體處于狀態(tài)I（P1,V1,T1）。因瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，T1不完全等于T0。（注：V1小于V2，此時(shí)瓶中還有研究對(duì)象以外氣體）3）迅速打開(kāi)放氣閥C2，使瓶?jī)?nèi)氣體與大氣相通，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)降至P0時(shí)，立刻關(guān)閉放氣閥C2，由于放氣過(guò)程較快，氣體來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換，可以近似認(rèn)為是一個(gè)絕熱膨脹過(guò)程。此時(shí)，氣體由狀態(tài)I（P1,V1,T1）轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)II（P0,V2,T2）。4）由于瓶?jī)?nèi)氣體溫度T2低于初溫T1，所以瓶?jī)?nèi)氣體慢慢從外界吸熱，直至達(dá)到初溫T1為止，此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)也隨之增大為P2，

4、氣體狀態(tài)變?yōu)镮II（P2,V2,T1）。從狀態(tài)II至狀態(tài)III的過(guò)程可以看作是一個(gè)等容吸熱的過(guò)程。狀態(tài)I→狀態(tài)II→狀態(tài)III的過(guò)程如圖(a)、(b)所示。狀態(tài)I狀態(tài)II狀態(tài)III絕熱膨脹等容吸熱（a）PI（）III（）等溫線絕熱線II（）VO（b）圖2實(shí)驗(yàn)過(guò)程狀態(tài)分析狀態(tài)I→狀態(tài)II是絕熱過(guò)程，由絕熱過(guò)程方程得（3）狀態(tài)I和狀態(tài)III的溫度均為，由氣體狀態(tài)方程得（4）合并式（3）、（4），消去、得（5）由式（5）可以看出，只要測(cè)得、、就可求得空氣的。測(cè)量端AD5906VAD590測(cè)溫原理：圖3AD590溫度傳感器測(cè)溫原理圖AD590接6V直流電源后組成一個(gè)穩(wěn)流源

5、，見(jiàn)圖3，它的測(cè)溫靈敏度為1μA/℃，若串接電阻后，可產(chǎn)生5mV/℃的信號(hào)電壓，接0～2000mV量程四位半數(shù)字電壓表，靈敏度即可達(dá)到0.02℃。若電壓表示值為U，以mV為單位，則其測(cè)量所得的溫度為℃。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．按圖3接好儀器的電路，AD590的正負(fù)極不能接錯(cuò)。用Forton式氣壓計(jì)測(cè)定大氣壓強(qiáng)，用水銀溫度計(jì)測(cè)環(huán)境室溫。開(kāi)啟電源，預(yù)熱20分鐘后，用調(diào)零電位器調(diào)節(jié)零點(diǎn)，把三位半數(shù)字電壓表示值調(diào)到01．把活塞C2關(guān)閉，活塞C1打開(kāi)，用打氣球把空氣穩(wěn)定地徐徐壓入貯氣瓶B內(nèi)，用壓力傳感器和AD590溫度傳感器測(cè)量空氣的壓強(qiáng)和溫度，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)及溫度穩(wěn)定時(shí)，記錄表征初始

6、壓強(qiáng)和溫度的電壓值及2．突然打開(kāi)活塞C2，當(dāng)貯氣瓶的空氣壓強(qiáng)降低至環(huán)境大氣壓強(qiáng)時(shí)（這時(shí)放氣聲消失），迅速關(guān)閉活塞C2，這時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣溫度下降至3．當(dāng)貯氣瓶?jī)?nèi)空氣的溫度上升至室溫時(shí)記下貯氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)和的值。（因?qū)嶒?yàn)過(guò)程中室溫可能有變化，故只需等瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定即可記錄，此時(shí)瓶中溫度近似為）4．用公式（5）進(jìn)行計(jì)算，求得空氣比熱容比值。五、注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3打開(kāi)活塞C2放氣時(shí)，當(dāng)聽(tīng)到放氣聲結(jié)束應(yīng)迅速關(guān)閉活塞，提早或推遲關(guān)閉活塞C2，都將影響實(shí)驗(yàn)要求，引入誤差。由于數(shù)字電壓表尚有滯后顯示，用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)此放氣時(shí)間僅約零點(diǎn)幾秒，并與放氣聲音的產(chǎn)生與消失很一致，

7、所以關(guān)閉活塞C2用聽(tīng)聲的方法更可靠些；2．實(shí)驗(yàn)要求環(huán)境溫度基本不變，如發(fā)生環(huán)境溫度不斷下降情況，可在遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)儀適當(dāng)加溫，以保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行；3．請(qǐng)不要靠近窗口，太陽(yáng)光照射較強(qiáng)處做實(shí)驗(yàn)，以免影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行；4．密封裝配后必須等膠水變干且不漏氣，方可做實(shí)驗(yàn)；5．打氣球橡膠管插入前可先沾水(或肥皂水)，然后輕輕推入二通，以防止斷裂；6．若采用外接法，外接電池可采用四節(jié)甲電池串聯(lián)作為6V直流電源；7．在充、放氣后要讓氣體回到室溫需要較長(zhǎng)時(shí)間，且需要保證此過(guò)程中室溫不發(fā)生變化。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度變化趨于停止時(shí)，溫度已經(jīng)非常接近初溫，此時(shí)可認(rèn)為氣體已處于平衡狀態(tài)，由此引

8、起的誤差對(duì)