4.1 西蒙氣體溫度計(jì)與蒸氣壓溫度計(jì)

1、第第 頁(yè)共8頁(yè)以上討論的是理想氣體的情形。實(shí)際上為照顧真空表的讀數(shù)范圍，實(shí)驗(yàn)中所充的氦氣并沒(méi)有稀薄到完全可以忽略。考慮真空氣體中第二維里系數(shù)項(xiàng)所產(chǎn)生的影響，氣體的狀態(tài)方程應(yīng)為pVm=RT+Bp比較前述幾式，溫度的修正項(xiàng)為T(mén).BBpR第二維里系數(shù)B的值與溫度有關(guān)，表1列出了氦的第二維里系數(shù)的值。表1第二維里系數(shù)值丁g2.(541420.5050125300350處0-mrl-|)H8.y一如,-12.314.047.5。10.761L.13Id.造成西蒙氣體溫度計(jì)的誤差有多方面因素，如真空表讀數(shù)誤差引起的測(cè)溫誤差，熱分子壓差效應(yīng)引起的誤差，溫泡體積的熱脹冷縮變化，處于溫度梯度中的毛細(xì)管體積對(duì)a值

2、的影響等，其中真空表讀數(shù)不精確是誤差的主要來(lái)源。具體估算時(shí)可將前式兩邊對(duì)p求偏導(dǎo)數(shù)，得到由于壓力讀數(shù)誤差p而引起的測(cè)溫誤差為T(mén)T11T-Ifp表的刻線進(jìn)行壓力標(biāo)定，可使p值縮小為133.32帕。其中表的刻線進(jìn)行壓力標(biāo)定，可使p值縮小為133.32帕。2.蒸氣壓溫度計(jì)。如果我們借助于一臺(tái)抽氣機(jī)降低液體表面上的蒸氣壓，那么由于熱力學(xué)的相平表面蒸氣壓的降低，會(huì)導(dǎo)致液體內(nèi)部一些動(dòng)能較大的分子逸出液面被圖2彳抽氣機(jī)抽走，從而使液體的平均動(dòng)能降低，也就是說(shuō)降低了液體的溫度。根據(jù)衡理論，單元兩相系在相平衡時(shí)溫度和壓力之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，為獲得表熱力學(xué)的相平度的關(guān)系為種關(guān)系的蒸氣壓方程，可對(duì)克勞修斯克拉貝

3、龍(ClausiusITlapeyron)方程積分,二，度的關(guān)系為系數(shù)要借助于氣體溫度計(jì)來(lái)標(biāo)定。對(duì)于氮蒸氣壓溫度計(jì)，其飽和蒸氣壓與溫lgp7.781845341.619lgp7.781845341.6190.0062649T表2為實(shí)用的氮蒸氣壓一溫度對(duì)照表。其中數(shù)據(jù)是在重力加速度g=9.80665m/s2和室溫為0的條件下給出的。一般來(lái)說(shuō)重力場(chǎng)及環(huán)境溫度變化引起的偏離很小。圖2為本實(shí)驗(yàn)所用的氮蒸氣壓溫度計(jì)。它由一浸于液氮中待測(cè)溫區(qū)的溫泡和置于杜瓦瓶上方的精密真空表以及連接這兩者的德銀管組成。溫泡內(nèi)充以一定量的純凈液氮；帶有真空夾層的德銀管作為傳遞壓力的管道；精密真空表用來(lái)指示感溫泡內(nèi)液氮蒸氣的

4、壓力。對(duì)于純凈液體的緩慢降溫過(guò)程，液體上部先冷，下部較熱，在重力作用下產(chǎn)生自然對(duì)流，能使溫度較快達(dá)到平衡。這時(shí)測(cè)得的溫度可以認(rèn)為就是浸于液氮中待測(cè)樣品的溫度。表2氮蒸氣壓溫度對(duì)照表尸：力3乂13：；力Vil)溫度T(K)壓力px牌溫度Tt78()77.：72i)0腑三E76D2306f,J274077.12Z40略7572D7&8923068.47初做”創(chuàng)76.-12?10立切66D76.17少小67,5764D75.921”67,256如75.66180幽92?？?5.小，J70弗看75.1A160能205fiU74bB515065,8154。74.5614065.1：52074.271就4

5、.可心73.9612。由二1-I8P73.110M.H2-16073h331D063,4044D72.99906工92-1202.65給那10072.2970R71.926。60,81而。二N50灑,92丸口7.1240溫陰ai冷足30ir聞73.252055,配注：表出i69.7SIt34,91四、實(shí)驗(yàn)儀器圖3實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1.杜瓦瓶；2.蒸氣壓溫度計(jì)感溫泡；3.氣體溫度計(jì)感溫泡；4.夾層德銀管；5.6.14.標(biāo)準(zhǔn)真空表；7.毛細(xì)管；8.電阻加熱器；9.恒壓器；10.氮?dú)馄つ遥?1.乳膠指套；12.恒壓器空腔；13.機(jī)械真空泵；15.輸液孔；16.鉛封；17.出氣孔實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖3。它由盛

6、液氮的玻璃杜瓦瓶及抽氣系統(tǒng)組成，能提供6377K的低溫范圍。抽氣機(jī)與杜瓦瓶之間除接有連通管道和真空閥門(mén)外，還接有恒壓裝置。借助于恒壓器能獲得較穩(wěn)定的蒸氣壓力，因而也即獲得較穩(wěn)定的溫度。恒壓器是用玻璃吹制的。在圖3中的A，B兩管之間，接有一段醫(yī)用乳膠手指套，抽氣降溫時(shí)關(guān)閉閥門(mén)V3并使三通閥門(mén)匕處于三個(gè)方向連通的狀態(tài)。此時(shí)因恒壓器內(nèi)的乳膠指套內(nèi)外存在壓力差，使得乳膠指套被壓縮，從而斷開(kāi)抽氣通道。打開(kāi)閥門(mén)V3則恒壓器內(nèi)指套外壓力降低，指套張開(kāi)，抽氣速率增大。當(dāng)壓力降至需要值pn時(shí)關(guān)閉閥門(mén)V3，則恒壓器空腔內(nèi)的氣壓維持在pn處。此時(shí)如果杜瓦瓶?jī)?nèi)的氮蒸氣壓進(jìn)一步下降，指套內(nèi)外壓力失去平衡，指套口徑變小從

7、而降低抽氣速率；反之會(huì)增大抽氣速率。這樣就在抽氣速率與漏熱造成的液氮蒸發(fā)速率之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，亦即壓力和溫度維持恒定。圖3中，V2亦為三通閥門(mén)。調(diào)整V2可以接通抽氣機(jī)與蒸氣壓溫度計(jì)。當(dāng)蒸氣壓溫度計(jì)被抽成真空狀態(tài)后通過(guò)旋轉(zhuǎn)V2使得氮蒸氣壓溫度計(jì)被密封，此時(shí)即可以借助于充有高純度氮?dú)獾钠つ?0，對(duì)蒸氣壓溫度計(jì)充氮?dú)?。杜瓦瓶?jī)?nèi)的電阻8是作加熱器用的，當(dāng)需要升溫時(shí)接上電源。V4是氮?dú)馄つ夜艿郎系膴A子。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制作氮蒸氣壓溫度計(jì)。對(duì)氮?dú)馄つ?0充灌99.9%以上純度的氮?dú)?，并夾緊夾子匕，接至圖3所示位置。調(diào)整丫2使得蒸氣壓溫度計(jì)與抽氣機(jī)之間處于連通狀態(tài)而與其他通路處于關(guān)閉狀態(tài)。啟動(dòng)機(jī)械真空泵，此時(shí)真

8、空表5將指出相應(yīng)的真空度。關(guān)閉閥門(mén)V2，觀察真空表5的指針，真空度應(yīng)無(wú)明顯變化。若真空表5指示的真空度明顯下降，則應(yīng)進(jìn)行漏氣檢查。確定氮蒸氣壓溫度計(jì)及其連接管道無(wú)漏氣后即可松開(kāi)夾子匕，此時(shí)純氮?dú)膺M(jìn)入氮蒸氣壓溫度計(jì)的各部位，準(zhǔn)備工作完畢。記下室溫、大氣壓及真空表6的讀數(shù)，應(yīng)該注意到目前市售的真空表大多指示的是大氣壓與真空表內(nèi)壓力之差。將貯存于液氮貯藏罐內(nèi)的液氮輸入實(shí)驗(yàn)杜瓦瓶1內(nèi)。堵住輸液孔15和出氣孔17,調(diào)節(jié)閥門(mén)匕，V2,V3使真空泵只對(duì)杜瓦瓶1進(jìn)行抽氣。隨著杜瓦瓶1內(nèi)蒸氣壓的降低，蒸氣壓溫度計(jì)感溫泡2內(nèi)的氮?dú)庵饾u液化，使得皮囊10內(nèi)的氮?dú)獠粩噙M(jìn)入感溫泡內(nèi),直至完全液化,此時(shí)氮蒸氣壓溫度計(jì)已可

9、供使用。關(guān)閉抽氣機(jī),對(duì)電阻加熱器接通電源。此時(shí)液氮溫度逐漸回升。當(dāng)真空表14指針指示杜瓦瓶?jī)?nèi)的液氮蒸氣壓已達(dá)大氣壓力時(shí),停止加熱并打開(kāi)出氣孔。測(cè)出氮沸點(diǎn)時(shí)西蒙氣體溫度計(jì)的讀數(shù)后,再堵上出氣孔17,然后抽氣降溫。在降溫過(guò)程中利用恒壓器將壓力穩(wěn)定在待測(cè)點(diǎn)后記下真空表5,6及14的讀數(shù),并換算成所測(cè)的相應(yīng)溫度。當(dāng)液氮溫度降至氮三相點(diǎn)溫度時(shí),通過(guò)杜瓦瓶的窺縫觀察液氮表面相變情景。利用電阻8加熱升溫,當(dāng)升溫至預(yù)定測(cè)溫點(diǎn)附近時(shí),停止加熱,讓杜瓦瓶的液氮溫度有一個(gè)平衡過(guò)程,記下西蒙溫度計(jì)和氮蒸氣壓溫度計(jì)數(shù)值。然后再升溫,測(cè)量下一個(gè)溫度點(diǎn)直至氮沸點(diǎn)。有條件時(shí),可以從輸液孔插入一只高臨界溫度氧化物超導(dǎo)材料,觀察

10、其臨界電流隨溫度的變化。六、注意事項(xiàng).應(yīng)盡量選用較純液氮,若液氮不純,則應(yīng)注意如下兩點(diǎn)。（1）沸點(diǎn)偏高。此時(shí)可借助于由純凈氮?dú)獗灰夯牡魵鈮簻囟扔?jì)校正西蒙氣體溫度計(jì)的參數(shù)。（2）因不純液氮中的雜質(zhì)為液氧。其沸點(diǎn)高達(dá)90K，在抽氣降溫過(guò)程中總是沸點(diǎn)較低的液氮蒸氣被抽走，故而純度越來(lái)越差，降溫至氮三相點(diǎn)時(shí)觀察不到液氮結(jié)晶的物理現(xiàn)象，但可以觀察氮、氧混合液體由透明至渾濁黏稠直至固化的物理現(xiàn)象，其固化點(diǎn)溫度視液氮的雜質(zhì)含量而定，通常為59K63K。.測(cè)量過(guò)程中室溫及大氣壓可能會(huì)變化，應(yīng)隨時(shí)記錄并作修正。.仔細(xì)熟悉三通閥門(mén)匕及丫2的各種連通狀況，防止誤操作。.在對(duì)杜瓦瓶中的液氮抽氣降溫時(shí)，由于氣流經(jīng)過(guò)三通閥匕時(shí)的伯努利力作用，可能會(huì)使乳膠指套11猛烈膨脹破裂。為此閥門(mén)丫3應(yīng)經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，只在需進(jìn)一步降溫時(shí)短暫開(kāi)啟一下，隨即關(guān)閉。而在升溫時(shí)，需打開(kāi)丫3，以免乳膠指套膨脹破裂。七、數(shù)據(jù)記錄與處理八、思考題如何確定西蒙氣體溫度計(jì)感溫泡體積丫與“死體積”丫之比a值？答：如果輸入液氮杜瓦瓶的液氮不純，如