空氣比熱容比的測(cè)定.doc

空氣比熱容比的測(cè)定氣體的定壓比熱容與定容比熱容之比稱為氣體的絕熱指數(shù)，它是一個(gè)重要的熱力學(xué)常數(shù)，在熱力學(xué)方程中經(jīng)常用到，本實(shí)驗(yàn)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)量空氣的溫度變化，從而得到空氣的絕熱指數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?用絕熱膨脹法測(cè)定空氣的比熱容比。2觀測(cè)熱力學(xué)過程中狀態(tài)變化及基本物理規(guī)律。3了解壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器的工作原理及使用方法。【實(shí)驗(yàn)原理】對(duì)1mol理想氣體的定壓比熱容CP和定容比熱容CV之間關(guān)系如下： CP-CV=R （R為氣體普適常數(shù)） （1）氣體的比熱容比為： = （2）氣體的比熱容比也稱為氣體的絕熱系數(shù)，在熱力學(xué)過程特別是絕熱過程中是一個(gè)很重要的物理量。如圖1所示，我們以貯氣瓶?jī)?nèi)空氣（近似為理想氣體）作為研究對(duì)象，定義P0為環(huán)境大氣壓強(qiáng)、T0為室溫以及V2為儲(chǔ)氣瓶體積，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)過程： 圖1實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)圖（1）首先打開放氣閥A，使儲(chǔ)氣瓶與大氣相通，再關(guān)閉A，則瓶?jī)?nèi)將充滿與周圍空氣等溫等壓的氣體。（2）打開充氣閥B，用充氣球向瓶?jī)?nèi)打氣，充入一定量的氣體，然后關(guān)閉充氣閥B。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，且達(dá)到與周圍環(huán)境溫度相等，定義此時(shí)的氣體處于狀態(tài)（,）。（3）迅速打開放氣閥A，使瓶?jī)?nèi)氣體與大氣相通，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)降至?xí)r，立刻關(guān)閉放氣閥A，由于放氣過程較快，瓶?jī)?nèi)氣體來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換，可以近視認(rèn)為是一個(gè)絕熱膨脹的過程。此時(shí)，氣體由狀態(tài)I（,）轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)（,）。（4）由于瓶?jī)?nèi)氣體溫度低于室溫，所以瓶?jī)?nèi)氣體慢慢從外界吸熱，直至達(dá)到室溫為止，此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)也隨之增大為，氣體狀態(tài)變?yōu)椋?）。從狀態(tài)狀態(tài)的過程可以看作是一個(gè)等容吸熱的過程。氣體狀態(tài)的過程如圖2所示： 圖2 氣體狀態(tài)過程變化狀態(tài)狀態(tài)是絕熱過程，由絕熱過程方程得： （3）狀態(tài)和狀態(tài)的溫度均為T0，由氣體狀態(tài)方程得： （4）合并式（1）、式（2），消去，得 （5）由式（5）可以看出，只要測(cè)得、就可求得空氣的絕熱指數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】一、DH-NCD- 空氣比熱容比測(cè)定儀本實(shí)驗(yàn)儀器由測(cè)試儀、擴(kuò)散硅壓力傳感器、電流集成溫度傳感器AD590、充氣閥、放氣閥、充氣球、玻璃儲(chǔ)氣瓶，如圖3所示： 1.放氣閥A 2.充氣閥B 3.擴(kuò)散硅壓力傳感器 4.AD590集成溫度傳感器 5.玻璃儲(chǔ)氣瓶6.充氣球 7.壓強(qiáng)顯示電壓表 8. 擴(kuò)散硅壓力傳感器接口 9.調(diào)零電位器 10.溫度傳感器接口11.溫度顯示電壓表 儲(chǔ)氣瓶組件 測(cè)試儀 圖3 DH-NCD-空氣比熱容比測(cè)定儀1擴(kuò)散硅壓力傳感器擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的器件，也就是在單晶硅的基片上用擴(kuò)散工藝(或離子注入及濺射工藝)制成一定形狀的應(yīng)變?cè)?，?dāng)它受到壓力作用時(shí)，應(yīng)變?cè)碾娮璋l(fā)生變化，從而使輸出電壓變化。本儀器將輸出電壓進(jìn)行放大，與三位半200mV數(shù)字電壓表相連，它顯示的是容器內(nèi)的氣體壓強(qiáng)大于容器外環(huán)境大氣壓的壓強(qiáng)差值，靈敏度為20mV/KPa，測(cè)量精度為5Pa，測(cè)量范圍為0-10KPa。設(shè)外界環(huán)境大氣壓為P0，容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)為P，則： P=P0+U/2000 (6)其中電壓U的單位為mV，壓強(qiáng)P、P0的單位為105Pa2. AD590集成溫度傳感器 AD590是一種新型的半導(dǎo)體溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-50C150C，由于AD590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。該傳感器的工作電壓為4V30V，輸出阻抗10M。當(dāng)加上電壓后，這種傳感器起恒流源的作用，其輸出電流與傳感器所處的溫度成線性關(guān)系。如用攝氏度t表示溫度,則輸出電流為 （7）式中：=1A/C ；I0標(biāo)稱值為273.2uA，實(shí)際略有差異。本儀器AD590的測(cè)溫原理圖如圖4所示，在回路中串接一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻R，轉(zhuǎn)化為電壓U，由公式IU/R算出輸出的電流，從而得出溫度值。儀器內(nèi)部串接R=5K精度為0.1%標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻，可產(chǎn)生5mV/C的電壓信號(hào)，將此電壓接2V量程四位半數(shù)字電壓表（最小分辨率為0.1mV）,則測(cè)溫最小分辨率為0.02C。 圖4 AD590測(cè)溫原理圖【主要技術(shù)參數(shù)】1、儲(chǔ)氣瓶：最大容積10L，由玻璃瓶、放氣閥、充氣閥以及充氣球等組成；2、 采用擴(kuò)散硅壓力傳感器測(cè)量氣體壓強(qiáng)，測(cè)量范圍大于環(huán)境氣壓0-10KPa，靈敏度20mV/ Kpa，顯示系統(tǒng)采用三位半200.0mV數(shù)字電壓表；帶超壓報(bào)警功能；3、電流集成溫度傳感器AD590， 靈敏度1uA/；儀器內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)溫精度0.2，顯示系統(tǒng)采用四位半2.0000V數(shù)字電壓表，最小分辨率0.1mV；4、內(nèi)置測(cè)溫傳感器電源6V，取樣電阻內(nèi)接5K標(biāo)準(zhǔn)電阻；【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1.按圖3原理連接實(shí)驗(yàn)電路，電源機(jī)箱后面的開關(guān)撥向“內(nèi)接”，即測(cè)溫傳感器取樣標(biāo)準(zhǔn)電阻內(nèi)接5K。打開放氣閥A，使儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)空氣壓強(qiáng)與外界環(huán)境空氣壓強(qiáng)相等。開啟電源，讓測(cè)試儀預(yù)熱20分鐘，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使測(cè)量空氣壓強(qiáng)的三位半數(shù)字電壓表UP顯示為“000.0”，并記錄此時(shí)測(cè)量溫度的四位半數(shù)字電壓表UT0（mV）。（也可以用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)測(cè)定環(huán)境大氣壓強(qiáng)P0，用水銀溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境溫度T0。） 2.關(guān)閉放氣閥A，打開充氣閥B，用充氣球向瓶?jī)?nèi)注氣，使壓強(qiáng)測(cè)試電壓表示值升高到100mV150mV。然后關(guān)閉充氣閥B，觀察UT和UP的變化，經(jīng)歷一段時(shí)間后，當(dāng)UT和UP指示值均不變時(shí)，記下此時(shí)的UP1和UT1（單位為mV），此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體近似為狀態(tài)I（P1，T1）。(T1近似為T0，但往往略高于T0，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)平衡時(shí)間很長(zhǎng)) 3.迅速打開放氣閥A，當(dāng)瓶?jī)?nèi)空氣壓強(qiáng)降至環(huán)境大氣壓強(qiáng)P0時(shí)（放氣聲結(jié)束），立刻關(guān)閉放氣閥A，這時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體溫度降低，狀態(tài)變?yōu)镮I（P0，V2，T1）。4.當(dāng)瓶?jī)?nèi)空氣的溫度上升至溫度T0時(shí)，且壓強(qiáng)穩(wěn)定后，記下此時(shí)的UP2以及UT2（單位為mV），此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體近似為狀態(tài)III（P2，V2，T2）。(T2近似為T0)5.打開放氣閥A,使貯氣瓶與大氣相通，以便于下一次測(cè)量。6.把測(cè)得的電壓值UP1、UT1、UP2、UT2（以mV為單位）填入表格1，對(duì)應(yīng)的氣體壓強(qiáng)按照 P1=P0+UP1/2000和P2=P0+UP2/2000計(jì)算得出。依公式，計(jì)算空氣的絕熱指數(shù)值。表1P0（105Pa）UP1UT1UP2UT2P1（105Pa）P2（105Pa） 7.重復(fù)步驟26，再進(jìn)行2次測(cè)量，比較多次測(cè)量中氣體的狀態(tài)變化有何異同，并計(jì)算。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，測(cè)得的=1.363，理論值為=1.402，測(cè)量值與理論值百分比誤差為： 【注意事項(xiàng)】1. 妥善放置儲(chǔ)氣玻璃瓶以及玻璃閥門，避免破損。2. 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查系統(tǒng)是否漏氣，方法是關(guān)閉放氣閥A，打開充氣閥B，用充氣球向瓶?jī)?nèi)打氣，使瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)升高一定壓強(qiáng)，關(guān)閉充氣閥B，觀察壓強(qiáng)是否穩(wěn)定，若始終下降則說明系統(tǒng)有漏氣之處。 4. 打開放氣閥A，當(dāng)放氣結(jié)束后要迅速關(guān)閉放氣閥，提前或推遲關(guān)閉閥門都將引入較大誤差。一般放氣時(shí)間約零點(diǎn)幾秒，可以通過放氣聲音進(jìn)行判斷。5.