(完整)氣體比熱容比測量.doc

實驗 氣體比熱容比測量氣體的比熱容比又稱氣體的絕熱指數(shù)，是一個重要的熱力學常數(shù)，氣體比熱容比的測量是物理學的基本測量之一，它屬于量熱學的范圍。本實驗根據(jù)熱力學原理，分別用擴散硅壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器測量空氣的壓強和溫度，從而測量空氣的絕熱指數(shù)。實驗目的1. 用新型擴散硅壓力傳感器測空氣的壓強，用電流型集成溫度傳感器測空氣的溫度變化；從而測量空氣的絕熱指數(shù);2、觀測熱力學現(xiàn)象掌握空氣的絕熱指數(shù)的一種測量方法;3了解壓力傳感器和溫度傳感器精確測量氣體壓強和溫度的原理和方法。實驗儀器壓力傳感器和溫度傳感器、儲氣瓶、數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源等。實驗原理一、壓力傳感器與溫度傳感器傳感器是利用某種效應將一被測量變換成易于測量的量（通常為電學量）的器件。其種類繁多，應用廣泛。按能量變換的功能可分為：物理傳感器（包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、磁傳感器、壓電傳感器等）和化學傳感器（包括氣體傳感器、濕度傳感器、離子傳感器）。根據(jù)傳感器的工作原理不同，一般又分為物性型傳感器（利用一些材料的物理特性的變化來實現(xiàn)檢測）和結構型傳感器（利用彈性管、雙金屬片、電感、電容器等結構元件進行測量）兩種。1、擴散硅壓力傳感器半導體材料（如單晶硅）因受力而產(chǎn)生應變時，由于載流子的濃度和遷移率的變化而導致電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應。壓力傳感器就是利用半導體壓阻效應制成的。 圖1 擴散硅壓力傳感器在硅膜片表面擴散一個四端元件，由于硅是各向異性材料，十字形四端應變片應設置在剪切應力最大的位置和剪切壓阻系數(shù)最大的方向上。在四端應變片的一個方向上加電流源或電壓源，當有剪切應力作用時，將會產(chǎn)生一個垂直電流方向的電場變化，引起該方向的電位分布發(fā)生變化，從而在該方向的兩端可以得到由被測壓力引起的輸出電壓（見圖1）。擴散硅壓力傳感器具有體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 2、電流型集成溫度傳感器溫度傳感器是利用金屬、半導體材料（硅、砷化鎵等）的熱敏特性及結的正向壓降隨溫度變化的特性而制成的。當半導體材料的溫度升高時，激發(fā)到導帶上的載流子數(shù)目增加，導致半導體中的載流子濃度和遷移率發(fā)生變化，引起電阻發(fā)生變化。電流型集成溫度傳感器是由多個參數(shù)相同的三極管和電阻組成。具有精度高、線性好、使用方便等特點，測量范圍為至。二、空氣絕熱指數(shù)的測量氣體的定容比熱容Cv，是指單位質(zhì)量的氣體，當容積保持不變，在沒有化學反應和相變的條件下，溫度改變所吸收或放出的熱量，氣體的定壓比熱容Cp，是指單位質(zhì)量的氣體，當壓力保持不變，在沒有化學反應和相變的條件下，溫度改變所吸收或放出的熱量， 氣體的定壓比熱容Cp與定容比熱容Cv的比值稱為氣體的比熱容比，又稱氣體的絕熱指數(shù)，常用符號表示，若系統(tǒng)的狀態(tài)變化過程中并不與外界交換熱量，則稱為絕熱過程。在良好的絕熱材料隔絕的系統(tǒng)中進行的過程，或由于過程進行得很快，以致同外界沒有顯著熱量交換的過程都可以近似地看做絕熱過程。應用熱力學第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可導出絕熱過程方程：可見，在絕熱過程中是一個重要的物理量。測量空氣絕熱指數(shù)的實驗裝置如圖2所示：圖2測量空氣比熱容比實驗裝置為進氣閥門C1；為放氣閥門C2；為電流型集成溫度傳感器，接直流電源，它的測溫靈敏度為，若串接電阻后可產(chǎn)生的信號電壓，接量程四位半數(shù)字電壓表，可檢測到.溫度變化；為氣體壓力傳感器探頭，由同軸電纜線輸出信號，與儀器內(nèi)的放大器及三位半數(shù)字電壓表相接。當待測氣體壓強為環(huán)境大氣壓P0時，數(shù)字電壓表顯示為，當待測氣體壓強為P0.時，數(shù)字電壓表顯示為，測量氣體壓強靈敏度為，測量精度為?？諝饨^熱指數(shù)的測量方法如下：首先關閉儲氣瓶的放氣閥門C（見圖2），將原處于環(huán)境大氣壓P0、溫度為T0（室溫）的空氣從進氣閥門C1打入儲氣瓶內(nèi)，這時瓶內(nèi)空氣壓強增大，溫度升高(T1T0)，當達到適當壓力后(電壓表示數(shù)為140.0mV時停止打氣)，關閉進氣閥門C1待溫度穩(wěn)定后，瓶內(nèi)空氣處于狀態(tài)（P1，V1，T1），V1為儲氣瓶容積。然后突然打開放氣閥門C2，使瓶內(nèi)空氣與大氣相通，瓶內(nèi)空氣壓力與大氣壓很快達到平衡（此時氣聲消失），立即關閉放氣閥門C2。此時瓶內(nèi)空氣達到狀態(tài)（P2 =P0，V2，T2），P0為大氣壓，T2為迅速膨脹后瓶內(nèi)剩余空氣的溫度(T2T1)，而V2為瓶內(nèi)剩余空氣和放出瓶外那部分空氣（如果也保持壓力P0和溫度T2狀態(tài)）體積的總和。由于放氣過程進行得很快，空氣由狀態(tài)變到狀態(tài)來不及與外界發(fā)生熱變換，所以可近似視為絕熱過程，狀態(tài)變化滿足絕熱方程式，即 （16-1） 關閉放氣閥門C1后，儲氣瓶內(nèi)空氣溫度逐漸恢復到T3= T1，同時空氣壓強也逐漸達到穩(wěn)定（P3），狀態(tài)（P3，V3 =V2，T3= T1）（見圖3）。圖3測量空氣絕熱指數(shù)的熱力學過程而由狀態(tài)（P3V3T3）變化到狀態(tài)（P1V1T1）可視為等溫過程，即P1V1=P3V3 （2）由式（1）和式（2）消去V1、V2后得： (3) 兩邊取對數(shù)后有 (4) 實驗中只需測出P1，P2= P0和P3三個量，即可求得空氣的絕熱指數(shù)。 實驗內(nèi)容（）按圖接好儀器的電路，的正負極請勿接錯。開啟電源，將儀器預熱，然后用調(diào)零電位器調(diào)節(jié)零點，把三位半數(shù)字電壓表示值調(diào)到。（）用溫度計測定室溫氣T0 ；用氣壓計測定大氣壓強P0 。（）用壓力傳感器和溫度傳感器測量儲氣瓶內(nèi)空氣的壓強和溫度。把放氣閥門C關閉，進氣閥門C1打開，用打氣球把空氣穩(wěn)定地徐徐打進儲氣瓶內(nèi)(電壓表示數(shù)為140.0mV時停止打氣)，然后關閉進氣閥門C1，待瓶內(nèi)壓強均勻穩(wěn)定后，記錄壓強P1和溫度值。（）突然打開閥門C，當儲氣瓶內(nèi)的空氣壓強降低至環(huán)境大氣壓強P2 =P0時（這時放氣聲消失，三位半數(shù)字電壓表頭顯示低于即可），迅速關閉閥門C。（）當儲氣瓶內(nèi)空氣的溫度上升至室溫=時，記下儲氣瓶內(nèi)氣體的壓強。（）重復步驟（）（），共3次，將所得數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格內(nèi)。（）用式（16-4）進行計算，求得空氣的