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真空度与温度关系的测量

作者：徐进朋

（东北师范大学物理学院，吉林长春 130024）

摘要：真空是指在给定的空间内，气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状态，不同的真空状态有不同的气体分子密度。真空度是对气体稀薄气体稀薄程度的一种客观量度。本实验旨在分别通过以空气，金属，水为介质探究真空度与温度度的关系。

Abstract: the vacuum is to point to in a given space, density of gas molecule under the region condition of gas molecule density of rarefied gas under atmospheric pressure, different vacuum state has a different density of gas molecules. The degree of vacuum degree is to thin thin gas an objective measure.This experiment want to make the air, metals, and water as the medium to explore the relationships about vacuum and temperature .

关键词：真空度温度。

引言

自19世纪以来真空技术发展迅猛，也越来越多的影响了人们的生活。小到真空包装技术大到航空航天工程，无不体现着真空技术的巨大作用与应用前景。从理论上真空度与气体压强直接相关，而温度对于气体压强的影响往往是起着决定性作用。因此探究真空度与温度的关系对于更加广泛的普及真空技术，惠及普通民众有极其重要的现实意义。

一.实验部分

㈠.实验仪器

实验所用的装置由金属油扩散泵TK-150、机械泵、符合真空计ZDF-I-LED、玻璃阀门（K11~K14）、真空密封胶圈、玻璃钟罩、温度计、透明胶带等组成。

如下图所示：

图表1实验装置实物图图表 2 实验装置实物图

㈡实验原理

热力学的研究已经证明一般气体状态可用范德瓦尔斯方程（P+a/V2）（V-b）=RT来表示；其中，P、V和T分别代表气体的压强、体积和温度，R是气体常数，a代表分子之间的相互吸引，b为分子的体积，且a，b对于不同的气体有不同的值。由方程可以看出气体温度T 与容器压强存在关系。压强又是真空度的一种度量，因此真空度与温度存在着一对一的关系。本实验就是在控制容器容积不变的情况下探究容器真空度与温度的关系。

㈢实验过程

由于实验条件的限制，考虑电子温度计的灵敏度，以及空气作为热的不良导体。直接测量真空中的温度变化存在很大难度，本实验将分别以三种物质空气，铁，水为导热介质，以电子温度计度量压强变化时介质温度的变化以此反应真空环境的温度。

具体过程如下：

①以空气为介质

1、将温度计金属帽端悬空，固定好后将温度计放在玻璃钟罩内，放好玻璃钟罩。

2、抽气过程：关闭玻璃阀门K14，打开机械泵电源K12、K11、K10，分别记录温度计的数值与

压强。

3、放气过程：关玻璃阀门K11、K12关机械泵电源，分别记录压强与水温。

②以金属为介质

4、将温度计金属帽端固定在镀件台架上，固定好后将温度计放在玻璃钟罩内，放好玻璃钟罩。

5、抽气过程：关闭玻璃阀门K14，打开机械泵电源K12、K11、K10，分别记录温度计的数值与压强。

6、放气过程：关玻璃阀门K11、K12关机械泵电源，分别记录压强与水温。

③以水为介质

7、用100ml烧杯去少量水（能浸没温度计金属帽为宜），置于真空玻璃罩中，将温度计浸没水中。（若水太多，随着气压降低，水中空气会冒出，造成类似沸腾的现象，此过程水容易溅出烧杯）

8、其余步骤同上。

二．分析讨论

空气介质金属介质

图表3-1 空气介质图表3-2 金属介质

水介质

图表3-3 p-t图

图3-1为空气介质情况下测得的p-t图像，由于空气是热的不良导体，所以在容器温度剧烈变化时，温度计感知不明显，图3-2为金属介质是测得的图像，虽然金属是热的良导体但温度计与金属接触不紧密，导致测得的温度不能准确反映容器温度。但两者均能大致反映出相同体积情况下，压强温度随压强的减小而降低这一现象。

图3-3为水做介质时测得的p-t曲线，由于水导热性能不差，且可与温度计金属帽紧密接触，所以用它测出的曲线能准确的反映温度随压强，或者是随真空度的变化。下面具体分析一下此过程的现象

①将盛装液体的容器放入冷阱已经被预冷的冻干机真空蒸发室中,启动真空泵通过冷凝室对真空室抽真空。②当真空室内气体压力接近当时液体温度下的饱和蒸汽压时(通常< 2000Pa),液体内部溶解的气体开始大量放出并伴随液体发生沸腾,即出现第一次暴沸现象。通过控制抽气速率,能够适当减弱暴沸的程度。③进入液体大量蒸发阶段,液体质量迅速下降,冷凝室的冷阱上霜层明显增长。液体温度则经历了由初始温度下降至冰点和较长时间保持在冰点的二个阶段,在后一阶段有时还会出现轻微的过冷现象④冻结阶段,有急冻和慢冻二种情况。⑤冰升华阶段。如果冷阱的温度足够低的话,当液体全部或表面冻结成冰后,会继续升华,冰的质量和温度都继续下降。

之所以出现这种现象是因为随着真空度升高，水中气体外溢，造成类似爆沸现象。同时由于真空度的升高，容器温度降低造成水结冰现象。这也印证了本实验结论真空度越高温度越低。

三．实验结论

本实验通过真空容器抽气改变真空度，以真空计测压强，以温度计测出该压强对应的温度，并创下的以水为介质进行相关测量。得到了科学的结论：相同体积情况下，真空度越高，温度越低。该结论也符合由理想气体状态方程推出的结论。

四．参考文献

1、《近代物理实验书》

2、《真空电子技术》