大学物理空气比热容的测量实验报告
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空气比热容比的测定
在热学中比热容比是一个基本物理量。过去,由于实验测量手段的原因使得对它的测量误差较大。现在通过先进的传感器技术使得测量便得简单而准确。本实验通过压力传感器和温度传感器来测量空气的比热容比。 一、实验目的
1. 用绝热膨胀法测定空气的比热容。
2. 观察热力学过程中状态变化及基本物理规律。
3. 学习气体压力传感器和电流型集成温度传感器的原理及使用方法。 二、实验原理
理想气体定压摩尔热容量和定体摩尔热容量之间的关系由下式表示
R C C v p =- (4-6-1)
其中, R 为普适气体常数。气体的比热容比γ定义为
v
p C C =
γ
(4-6-2)
气体的比热容比也称气体的绝热系数,它是一个重要的物理量,其值经常出现在热力学方程中。
测量仪器如图4-6-1所示。1为进气活塞C 1,2 为放气活塞C 2,3为电流型集成温度传感器,4为气体压力传感器探头。实验时先关闭活塞C 2,将原处于环境大气压强为P 0、室温为T 0的空气经活塞C 1送入贮气瓶B 内,这时瓶内空气压强增大,温度升高。关闭活塞C 1,待瓶内空气稳定后,瓶内空气达到状态Ⅰ(101,,V T P )
,V 1为贮气瓶容积。 然后突然打开阀门C 2,使瓶内空气与周围大气相通,到达状态Ⅱ(),,220V T P 后,迅速关闭活塞C 2。由于放气过程很短,可认为气体经历了一个绝热膨胀过程,瓶内气体压强减小,温度降低。绝热膨胀过程应满足下述方程
γ
γ2011V P V P =
(4-6-3)
在关闭活塞C 2之后,贮气瓶内气体温度将升高,当升到温度T 0时,原气体的状态为Ⅰ(101,,V T P )改变为状态Ⅲ(202,,V T P )
,两个状态应满足如下关系:
2
211V P V P =
(4-6-4)
由(4-6-3)式和(4-6-4)式,可得
)
lg /(lg )lg (lg 1210P P P P --=γ
(4-6-5)
利用(4-6-5)式可以通过测量P 0、P 1和P 2值,求得空气的比热容比γ值。
图4-6-1 测量仪器示意图 图4-6-2 系统连接图
三、实验仪器
NCD-I 型空气比热容比测量仪由如下几个部分组成:贮气瓶(由玻璃瓶、进气活塞、橡皮塞组成)、两只传感器(扩散硅压力传感器和电流型集成温度传感器AD590各一只)、测空气压强的三位半数字电压表、测空气温度的四位半数字电压表。测空气压强的数字电压表用于测量超过环境气压的那部分压强,测量范围0~10000Pa ,灵敏度为20mv/Kpa (表示1000Pa 的压强变化将产生20mv 的电压变化,或者50Pa/mv ,单位电压变化对应50Pa 的压强变化)。实验时,贮气瓶内空气压强变化范围为6000Pa 。
图4-6-1实验装置中,温度传感器3是新型半导体温度传感器,其测量灵敏度高,线性好,测温范围为-50~150℃,接6V 直流电源后组成一个稳流源。它的测温灵敏度单位为1μA/℃,若串接5K Ω电阻后,可产生5mv/℃的信号电压,接0~2V 量程四位半数字电压表,可检测到最小0.02℃温度变化。气体压力传感器探头4由同轴电缆线输出信号,与仪器内的放大器及三位半数字电压表相接。当待测气体压强为环境大气压P 0时,数字电压表显示为0,当待测气体压强为P 0+10000Pa 时,数字电压表显示为200mv ,仪器测量气体压强灵敏度为20mv/ 1000Pa 。 四、实验步骤
1. 按图4-6-2接好仪器的电路,注意AD590的正负极不要接错。用Forton 式气压计测定大气压强P 0,用水银温度计测量环境温度。开启电源,将电子仪器部分预热20分钟,然后用调零电位器调节零点,把三位半数字电压表示值调到0。
2. 将活塞C 2关闭,活塞C 1打开,用打气球把空气稳定地徐徐进入贮气瓶B 内,用压力传感器和AD590温度传感器测量空气的压强和温度,记录瓶内压强均匀稳定时压强P 1和温度T 0(室温为T 0)(P 1取值范围控制在130mV~150mV 之间。由于仪器只显示大于大气压强的
部分,实际计算时式(4-6-5)中的压强P1应加上周围大气压强值)。
3. 突然打开活塞C2,当贮气瓶的空气压强降低至环境大气压强P0时(这时放气声消失),迅速关闭活塞C2.
4. 当贮气瓶内空气的温度上升至室温T0时,记下贮气瓶内气体的压强P2(由于仪器只显示大于大气压强的部分,实际计算时式(4-6-5)中的压强P2应加上周围大气压强值)。
5. 用公式(4-6-5)进行计算,求得空气比热容比值。
五、注意事项
1. 在实验步骤3打开活塞C2放气时,当听到放气声结束应迅速关闭活塞,提早或推迟关闭活塞C2,都将影响实验结果,引入误差。
2. 实验要求环境温度基本不变,如发现环境温度不断下降,可在远离实验仪器处适当加温,以保证实验正常进行。
六、数据记录与处理
1.参考表4-6-1记录实验数据。
2.计算空气比热容比的平均值和标准偏差,给出测量结果。
表4-6-1 数据纪录参考用表
七、思考题
1.打开活塞C2放气时, 提早或推迟关闭如何影响测量结果?
2.环境温度的逐渐升高或下降会对实验结果产生什么影响?
实验4-7 万用表和惠斯登电桥的使用
万用表即万用电表,它是电学最常用的一种测量仪器,它不仅可以测量交流和直流电压,还可以测量直流电流和电阻,一表多能,掌握万用表的使用方法是电学实验的基本要求之一。电桥也是一种常用的电学测量仪器,其原理是比较法,因而具有灵敏度高和使用方便的特点。利用电桥不仅可以测量电阻、电容和电感等电学量,还可以将温度、压力等非电量以电量的形式测量出来,因此应用十分广泛。在各种电桥中,惠斯登电桥是一种最基本的电桥,本实