(完整)氣體比熱容比測(cè)量.doc

實(shí)驗(yàn) 氣體比熱容比測(cè)量氣體的比熱容比又稱(chēng)氣體的絕熱指數(shù)，是一個(gè)重要的熱力學(xué)常數(shù)，氣體比熱容比的測(cè)量是物理學(xué)的基本測(cè)量之一，它屬于量熱學(xué)的范圍。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)熱力學(xué)原理，分別用擴(kuò)散硅壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器測(cè)量空氣的壓強(qiáng)和溫度，從而測(cè)量空氣的絕熱指數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 用新型擴(kuò)散硅壓力傳感器測(cè)空氣的壓強(qiáng)，用電流型集成溫度傳感器測(cè)空氣的溫度變化；從而測(cè)量空氣的絕熱指數(shù);2、觀測(cè)熱力學(xué)現(xiàn)象掌握空氣的絕熱指數(shù)的一種測(cè)量方法;3了解壓力傳感器和溫度傳感器精確測(cè)量氣體壓強(qiáng)和溫度的原理和方法。實(shí)驗(yàn)儀器壓力傳感器和溫度傳感器、儲(chǔ)氣瓶、數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源等。實(shí)驗(yàn)原理一、壓力傳感器與溫度傳感器傳感器是利用某種效應(yīng)將一被測(cè)量變換成易于測(cè)量的量（通常為電學(xué)量）的器件。其種類(lèi)繁多，應(yīng)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(xué)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(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)）和結(jié)構(gòu)型傳感器（利用彈性管、雙金屬片、電感、電容器等結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行測(cè)量）兩種。1、擴(kuò)散硅壓力傳感器半導(dǎo)體材料（如單晶硅）因受力而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，由于載流子的濃度和遷移率的變化而導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。壓力傳感器就是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成的。 圖1 擴(kuò)散硅壓力傳感器在硅膜片表面擴(kuò)散一個(gè)四端元件，由于硅是各向異性材料，十字形四端應(yīng)變片應(yīng)設(shè)置在剪切應(yīng)力最大的位置和剪切壓阻系數(shù)最大的方向上。在四端應(yīng)變片的一個(gè)方向上加電流源或電壓源，當(dāng)有剪切應(yīng)力作用時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直電流方向的電場(chǎng)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(cè)壓力引起的輸出電壓（見(jiàn)圖1）。擴(kuò)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(diǎn)。 2、電流型集成溫度傳感器溫度傳感器是利用金屬、半導(dǎo)體材料（硅、砷化鎵等）的熱敏特性及結(jié)的正向壓降隨溫度變化的特性而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體材料的溫度升高時(shí)，激發(fā)到導(dǎo)帶上的載流子數(shù)目增加，導(dǎo)致半導(dǎo)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(gè)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(diǎn)，測(cè)量范圍為至。二、空氣絕熱指數(shù)的測(cè)量氣體的定容比熱容Cv，是指單位質(zhì)量的氣體，當(dāng)容積保持不變，在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)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(dāng)壓力保持不變，在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)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(chēng)為氣體的比熱容比，又稱(chēng)氣體的絕熱指數(shù)，常用符號(hào)表示，若系統(tǒng)的狀態(tài)變化過(guò)程中并不與外界交換熱量，則稱(chēng)為絕熱過(guò)程。在良好的絕熱材料隔絕的系統(tǒng)中進(jìn)行的過(guò)程，或由于過(guò)程進(jìn)行得很快，以致同外界沒(méi)有顯著熱量交換的過(guò)程都可以近似地看做絕熱過(guò)程。應(yīng)用熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可導(dǎo)出絕熱過(guò)程方程：可見(jiàn)，在絕熱過(guò)程中是一個(gè)重要的物理量。測(cè)量空氣絕熱指數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：圖2測(cè)量空氣比熱容比實(shí)驗(yàn)裝置為進(jìn)氣閥門(mén)C1；為放氣閥門(mén)C2；為電流型集成溫度傳感器，接直流電源，它的測(cè)溫靈敏度為，若串接電阻后可產(chǎn)生的信號(hào)電壓，接量程四位半數(shù)字電壓表，可檢測(cè)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(hào)，與儀器內(nèi)的放大器及三位半數(shù)字電壓表相接。當(dāng)待測(cè)氣體壓強(qiáng)為環(huán)境大氣壓P0時(shí)，數(shù)字電壓表顯示為，當(dāng)待測(cè)氣體壓強(qiáng)為P0.時(shí)，數(shù)字電壓表顯示為，測(cè)量氣體壓強(qiáng)靈敏度為，測(cè)量精度為?？諝饨^熱指數(shù)的測(cè)量方法如下：首先關(guān)閉儲(chǔ)氣瓶的放氣閥門(mén)C（見(jiàn)圖2），將原處于環(huán)境大氣壓P0、溫度為T(mén)0（室溫）的空氣從進(jìn)氣閥門(mén)C1打入儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)，這時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣壓強(qiáng)增大，溫度升高(T1T0)，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)壓力后(電壓表示數(shù)為140.0mV時(shí)停止打氣)，關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)C1待溫度穩(wěn)定后，瓶?jī)?nèi)空氣處于狀態(tài)（P1，V1，T1），V1為儲(chǔ)氣瓶容積。然后突然打開(kāi)放氣閥門(mén)C2，使瓶?jī)?nèi)空氣與大氣相通，瓶?jī)?nèi)空氣壓力與大氣壓很快達(dá)到平衡（此時(shí)氣聲消失），立即關(guān)閉放氣閥門(mén)C2。此時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣達(dá)到狀態(tài)（P2 =P0，V2，T2），P0為大氣壓，T2為迅速膨脹后瓶?jī)?nèi)剩余空氣的溫度(T2T1)，而V2為瓶?jī)?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(guò)程進(jìn)行得很快，空氣由狀態(tài)變到狀態(tài)來(lái)不及與外界發(fā)生熱變換，所以可近似視為絕熱過(guò)程，狀態(tài)變化滿足絕熱方程式，即 （16-1） 關(guān)閉放氣閥門(mén)C1后，儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)空氣溫度逐漸恢復(fù)到T3= T1，同時(shí)空氣壓強(qiáng)也逐漸達(dá)到穩(wěn)定（P3），狀態(tài)（P3，V3 =V2，T3= T1）（見(jiàn)圖3）。圖3測(cè)量空氣絕熱指數(shù)的熱力學(xué)過(guò)程而由狀態(tài)（P3V3T3）變化到狀態(tài)（P1V1T1）可視為等溫過(guò)程，即P1V1=P3V3 （2）由式（1）和式（2）消去V1、V2后得： (3) 兩邊取對(duì)數(shù)后有 (4) 實(shí)驗(yàn)中只需測(cè)出P1，P2= P0和P3三個(gè)量，即可求得空氣的絕熱指數(shù)。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（）按圖接好儀器的電路，的正負(fù)極請(qǐng)勿接錯(cuò)。開(kāi)啟電源，將儀器預(yù)熱，然后用調(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。（）用溫度計(jì)測(cè)定室溫氣T0 ；用氣壓計(jì)測(cè)定大氣壓強(qiáng)P0 。（）用壓力傳感器和溫度傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)氣瓶?jī)?nèi)空氣的壓強(qiáng)和溫度。把放氣閥門(mén)C關(guān)閉，進(jìn)氣閥門(mén)C1打開(kāi)，用打氣球把空氣穩(wěn)定地徐徐打進(jìn)儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)(電壓表示數(shù)為140.0mV時(shí)停止打氣)，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)C1，待瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)均勻穩(wěn)定后，記錄壓強(qiáng)P1和溫度值。（）突然打開(kāi)閥門(mén)C，當(dāng)儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的空氣壓強(qiáng)降低至環(huán)境大氣壓強(qiáng)P2 =P0時(shí)（這時(shí)放氣聲消失，三位半數(shù)字電壓表頭顯示低于即可），迅速關(guān)閉閥門(mén)C。（）當(dāng)儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)空氣的溫度上升至室溫=時(shí)，記下儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)。（）重復(fù)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(jìn)行計(jì)算，求得空氣的