實驗報告空氣比熱容比的測定word文檔良心出品

1、1.實驗名稱空氣比熱容比的測定2.實驗?zāi)康?1) 了解絕熱、等容的熱力學(xué)過程及有關(guān)狀態(tài)方程。(2) 測定空氣的比熱容比。3.實驗原理：主要原理公式及簡要說明、原理圖(1) 熱力學(xué)第一定律及定容比熱容和定壓比熱容熱力學(xué)第一定律：系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加和系統(tǒng)對外做功之和?？紤]在準(zhǔn)靜態(tài)情況下氣體由于膨脹對外做功為dA = PdV ,所以熱力學(xué)第一定律的微分形式為dQ =dE +dA=dE + PdV定容比熱容Cv是指1mol的理想氣體在保持體積不變的情況下，溫度升高1K所吸收的熱量。由于體積不變，那么由(1)式可知，這吸收的熱量也就是內(nèi)能的增加(dQ = dE)，所以CdQ dECv

2、 = i丨=(2)idT 丿v dT由于理想氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，所以上述定義雖然是在等容過程中給出，任何過程中內(nèi)能的變化都可以寫成d E = CvdT定壓比熱容是指1mol的理想氣體在保持壓強不變的情況下，溫度升高量。即1K實際上所吸收的熱CpdQ(3)丿p由熱力學(xué)第一定律(3)式，考慮在定壓過，就有(dQ)冶 + I I +IdT 丿p IdT 丿pdVpdT由理想氣體的狀態(tài)方程 PV = RT可知，在定壓過程中 理=巴，又利用dT PdEdT=Cv代入(4)式，就得到定壓比熱容與定容比熱容的關(guān)系Cp =Cv + R(5)R是氣體普適常數(shù)，為8.31 J / mol K，引入比熱容比丫

3、為在熱力學(xué)中，比熱容比是一個重要的物理量，它與溫度無關(guān)。氣體運動理論告訴我們,Y與氣體分子的自由度 f有關(guān)例如，對單原子氣體（Ar、He） f =3, Y =1.67 對雙原子氣體（2、出、O2） f = 5Y =1.40 ,對多原子氣體(C02、CH4)f =6, Y =1.33（2）絕熱過程dQ= 0。系統(tǒng)如果與外界沒有熱交換，這種過程稱為絕熱過程，因此，在絕熱過程中, 所以由熱力學(xué)第一定律有dA = -dE 或 PdV = -CvdT (8)由氣態(tài)方程PV = RT ,兩邊微分，得PdV +Vd P = RdT （9）兩邊除PVdPP（8）、（9）兩式中消去dT，得，即得dV+ Y 竺=

4、0(10)V對（10）式積分，就得到絕熱過程的狀態(tài)方程PV Y =常數(shù)(11)利用氣態(tài)方程PV =RT，還可以得到絕熱過程狀態(tài)方程的另外兩種形式:P=常數(shù)(13)4. 實驗內(nèi)容用一個大玻璃瓶作為貯氣瓶。（1）實驗開始時，先打開放氣閥 B和進氣閥A ,打開充氣開關(guān)（左旋充氣球閥門C），使貯氣與大氣相通。將儀器顯示的氣壓差數(shù)調(diào)零 （注意，儀器顯示的是貯氣瓶內(nèi)氣壓與大氣壓P0的差）。（2）然后關(guān)閉放氣閥B，關(guān)閉充氣開關(guān)（右旋擰緊氣閥C），用打氣球向瓶內(nèi)送氣，使瓶內(nèi)氣壓上升，瓶中空氣的溫度也上升。當(dāng)瓶內(nèi)氣壓比大氣壓高56kPa時（瓶內(nèi)氣壓與大氣壓之差由比熱容比測定儀上顯示），關(guān)閉進氣閥 A。這時瓶內(nèi)氣

5、溫略高于環(huán)境溫度，因此瓶內(nèi)空氣與環(huán)境有熱交換，使瓶內(nèi)的氣壓與溫度都不穩(wěn)定，而是逐漸下降的。直到瓶內(nèi)氣溫與環(huán)境溫度相同時，瓶內(nèi)氣壓趨于穩(wěn)定值P1,這時瓶內(nèi)氣體處于 PV圖中狀態(tài)I （P1、V1、T0）。這T0為環(huán)境溫度。這時記下儀器氣壓差顯示值P1示（瓶內(nèi)氣壓P1= P0+ P1示）。后打開放氣閥A，聽到放氣聲，待放氣聲結(jié)束（儀器顯示的氣壓差值為 0）立即迅速關(guān) 閉放氣閥A，這時瓶內(nèi)有一部分空氣從瓶內(nèi)放出，剩余在瓶內(nèi)的空氣氣壓下降到大氣P0（儀器上顯示的與大氣壓差為 0）。由于放氣過程極迅速，空氣又是熱的不良導(dǎo)體，因此剩在瓶內(nèi)的那部分空氣從狀態(tài)I（Pi、Vi、To）到狀態(tài)n （Po、V2、T2）

6、經(jīng)歷的過程是絕熱過程 （在放氣過程中瓶內(nèi)空氣來不及與外界行熱交換）。V2為貯氣瓶體積，V1為保留在瓶中這部分氣體在狀態(tài)I （P1、To）時的體積。（4）放氣后由于瓶內(nèi)氣壓下降，使瓶內(nèi)氣溫也下降到 T2 To,因此放氣后瓶內(nèi)空氣又從外界吸收熱量而使其溫度上升，同時瓶內(nèi)氣壓也上升。到瓶內(nèi)溫度上升到室溫To時，瓶內(nèi)氣壓趨于穩(wěn)定。記下這時儀器顯示的氣壓差值P2示（瓶內(nèi)氣壓P2=Po+ P2示），氣體處于 PV圖中狀態(tài)川（P2、V2、To）,從狀態(tài)n到狀態(tài)川的過程是等容過程。上述過程如圖4-18所示我們以放氣后瓶內(nèi)的那部分氣體作為考慮的對象，這部分氣體 占前瓶內(nèi)的大部分，但不是全部。這部分氣體在狀態(tài)I時

7、壓強為P1溫度為To,而放氣后壓強降為Po（大氣壓），溫度降為T2（To）, I-n的過程是絕熱過程，用絕熱的狀態(tài)方程（4-53）式有1 To丿A! (14)0n到III過程是等容過程，在這過程中瓶內(nèi)氣溫又從T2升到環(huán)境溫度To,氣壓上升到ToT2P2。根據(jù)等容過程的狀態(tài)方程，有(15)聯(lián)合（14）、（15）式Po丿兩邊取對數(shù)，即可解出YnP1 Tn Po (16) In P -In P2F圖1狀態(tài)變化過程5. 注意事項(1) 放氣的過程應(yīng)該特別小心，打開B閥后，瓶內(nèi)空氣達到大氣壓時應(yīng)立即關(guān)閉 B閥。(2) 由于硅壓力傳感器靈敏度不完全相同，一臺儀器配一只專用壓力傳感器，請勿互換。(3) 狀態(tài)

8、I的記錄要注意向瓶內(nèi)壓入空氣后關(guān)閉進氣閥門A ,等氣壓穩(wěn)定后(即容器內(nèi)溫度下降到室溫時)才讀出Pi示。實際上只要等 Pi示值穩(wěn)定即可讀出。P2示狀態(tài)川的壓強 P2示要等到容器內(nèi)氣溫達到室溫時記錄瓶內(nèi)氣壓，實際上只要等 值穩(wěn)定即可讀出。(5)實驗內(nèi)容中打開放氣閥門時，當(dāng)聽到放氣聲結(jié)束應(yīng)迅速關(guān)閉放氣閥門，提早或推遲 關(guān)閉放氣閥門，都將影響實驗要求，引入誤差。由于數(shù)字電壓表尚有滯后顯示，經(jīng)計算機實 時測量，發(fā)現(xiàn)此放氣時間約零點幾秒，并與放氣聲產(chǎn)生消失很一致，所以關(guān)閉放所閥門用聽放氣聲較準(zhǔn)確。6. 實驗儀器：主要實驗主要儀器的名稱、型號及主要技術(shù)參數(shù)(測量范圍和儀器誤差)(1)實驗儀器NCD-1空氣比

9、熱容比測定儀。(2)儀器介紹 NCD-1空氣比熱容比測定儀：1充氣球(打氣球)2 充氣閥開關(guān)(氣閥C)，左旋放氣； 打氣時須右旋擰緊。 3進氣閥、4出氣閥連接電纜固定于瓶蓋、 5 壓力傳感器、6溫 度傳感器LM35。 技術(shù)指標(biāo)：壓差測量范圍0.01kPa10.00 kPa,三位半數(shù)碼管顯示。 10 kPa以上蜂鳴器報警。溫度電壓顯示 0 19.99mV四位半數(shù)碼管顯示。 穩(wěn)壓電源輸出電壓 6.00V。7. 數(shù)據(jù)記錄及處理:數(shù)據(jù)記錄Po=1O3KPa次數(shù)狀態(tài)1狀態(tài)2壓力差P1 示/kpa電壓U/mv壓力差P2 示/kpa電壓U/mv15.051.1924.741.1335.041.1645.22

10、1.2455.151.2565.061.14平均5.041.19數(shù)據(jù)處理 所測空氣比熱容比的平均值為:吧ln 108.040 宀3103 宀3 = 1.317 In R _ In 巳 In 108. 040 x 10八3 - 104. 190 x 123相對不確定度和不確定度的計算如下:UrY(咨Z)( UP1) +( PV禹 1聲2、2z2)(UP2)Sp16-1=164. 32k (Pi -P2)2SP26-1=51.19儀=10PaUP1I22=QUa +Ub=164.32UP22+ UB=52. 15=ln(lnP -InP0) - In(ln(lnP - InP2)cIn V1X =

11、 = 6.03X 10cln VIn P - In P0P In P -1n P2In P - In P2P2J(器)2(Up1)2 +(呼)2(Up2)2cF2 cP6. 03 X 10-5)2 X 164. 622 +(2. 65 % 10-4)2 % 52. 1521.7%Uy = Ujf = 1.317 X 1.7%= 0. 03用不確定度表示空氣比熱容比的測量結(jié)果如下:7 = y + Uy = 1. 317 0. 03U常U = J 咒 100% = 1.7% y8. 數(shù)據(jù)分析相對誤差計算:丫理測沢100%丫理二40廿6100%“9. 誤差分析本實驗中采用高精度、高靈敏度的硅壓力傳感

12、器和電流型集成溫度傳感器分別測量氣體的壓強和溫度，測量得到空氣的比熱容比為1.317,與理論值1.402相比偏小，相對誤差為6.1%。造成誤差的主要原因有：（1 ）實驗時的工作物質(zhì)是實際氣體而非理想氣體，它所遵實驗時用理想氣體的狀態(tài)方程來2）實驗時貯氣瓶循的狀態(tài)變化規(guī)律與理想氣體所遵循的變化規(guī)律存在差異。推導(dǎo)實際氣體的比熱容比的計算公式，其結(jié)果必然存在理論近似誤差。（內(nèi)氣體所經(jīng)歷的過程并非真正的準(zhǔn)靜態(tài)過程。（3）實驗中很難準(zhǔn)確判斷放氣過程是否結(jié)束,提前或推遲關(guān)閉放氣閥的時間都將影響實驗結(jié)果;同時，瓶內(nèi)氣體總要通過容器壁與外界進行熱交換，此過程并非真正的絕熱過程。（4）實驗裝置中玻璃材料組件的端面之間均采用粘結(jié)方式。由于粘結(jié)面大、