空氣比熱容比的測量

1-進氣活塞；1-進氣活塞；2-放氣活塞；3-AD590；4-氣體壓力傳感器；5-704膠粘劑圖4-4-1實驗裝置簡圖實驗4-4空氣比熱容比的測量氣體的比熱容比Y(又稱絕熱指數(shù))是一個重要的熱力學參量，經(jīng)常出現(xiàn)在熱力學方程中。測量Y的方法有多種，絕熱膨脹測量是一種重要的方法。傳統(tǒng)的比熱容比實驗大多是利用開口U型水銀壓力計或水壓力計測量氣體的壓強，用水銀溫度計測量溫度，測量結(jié)果較為粗略，實驗誤差大。本實驗采用的是高精度、高靈敏度的硅壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器分別測量氣體的壓強和溫度，克服了原有實驗的不足，實驗時能更明顯地觀察分析熱力學現(xiàn)象，實驗結(jié)果較為準確?！緦嶒?zāi)康摹繉W習用絕熱膨脹法測量空氣的比熱容比Y;觀察和分析熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)和過程特征，掌握實現(xiàn)等值過程的方法；了解硅壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器的工作原理，掌握其使用方法?！緦嶒炘怼繙y量比熱容比的原理氣體受熱過程不同，比熱容也不同。氣體等容及等壓過程的比熱容分別稱為定容比熱容^和定壓比熱容C。定容比熱容是將1kg氣體在保持體積不變的情況下加熱，當其溫度升高1。C時所需的熱量；而定壓比熱容則是將1kg氣體在保持壓強不變的情況下加熱，當其溫度升高1。C時所需的熱量。顯然，后者由于要對外作功而大于前者，即C>C-。氣體的比熱容比Y定義為定壓比熱容七和定容比熱容七之比，即^ "y=—p (4-4-1)CV測量y的實驗裝置如圖4-4-1所示。我們以貯氣瓶內(nèi)空氣作為研究的熱力學系統(tǒng)，進行如下實驗過程。首先打開放氣活塞2,貯氣瓶與大氣相通，再關(guān)閉放氣活塞2,瓶內(nèi)充滿與周圍空氣同溫同壓的氣體。打開進氣活塞1，用充氣球向瓶內(nèi)打氣，充入一定量的氣體，然后關(guān)閉進氣活塞1。此時瓶內(nèi)空氣被壓縮，壓強增大，溫度升高。等待內(nèi)部氣體溫度穩(wěn)定，即達到與周圍溫度(室溫)平衡，此時的氣體處于狀態(tài)I

(p,v,T)。1 1 0迅速打開放氣活塞2,使瓶內(nèi)氣體與大氣相通，當瓶內(nèi)氣體壓強降到p時，立即關(guān)閉放氣活塞2,將有體積為AV的氣體噴瀉出貯氣瓶。由于放氣過程較快，瓶內(nèi)保留的氣體來不及與外界進行熱交換，可以認為是一個絕熱膨脹的過程。在此過程后瓶中保留的氣體由狀態(tài)I(p,v,T)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)II(p,V,T)。V為貯氣瓶體積110這部分氣體在狀態(tài)I(p「To)時的體積。 1由于瓶內(nèi)氣體溫度^低于室溫To，所以瓶內(nèi)氣體將慢慢從外界吸熱，直至達到室溫氣為止，此時瓶內(nèi)氣體壓強也隨之增大為p2，則穩(wěn)定后的氣體狀態(tài)為hi(p2,匕,T「。從狀態(tài)II—狀態(tài)m的過程可以看作是一個等容吸熱的過程。由狀態(tài)I—狀態(tài)I—狀態(tài)m的過程如圖4-4-2所示。狀態(tài)I—狀態(tài)II是絕熱過程，由絕熱過程方程得12圖4-4-2氣體狀態(tài)變化及p-V圖pVY=pV12圖4-4-2氣體狀態(tài)變化及p-V圖pVY=pVY11 02(4-4-2)p,=p2V2合并式(4-4-2)和(4-4-3)，消去匕、匕得lnp一lnplnp/pTOC\o"1-5"\h\zY= 1 o= 1 olnp—InpInp/p1 2 1 2匕為保留在瓶中(4-4-3)(4-4-4)由式(4-4-4)可以看出，只要測得po、p「p匕為保留在瓶中(4-4-3)(4-4-4)AD590集成溫度傳感器。1 2AD590是一種新型的電流輸出型溫度傳感器，測溫范圍為-55。C?150。C。當施加+4V?+30V的激勵電壓時，這種傳感器起恒流源的作用，其輸出電流與傳感器所處的熱力學溫度T(單位為K)成正比，且轉(zhuǎn)換系數(shù)為K=加A/K或加A/。C。如用攝氏度J表示溫度，則輸出電流為 ’ ’(4-4-5)I=Kt+273.15rA(4-4-5)AD590輸出的電流I可以在遠距離處通過一個適當阻值的電阻R轉(zhuǎn)化為一個電壓

U，由I=U/R算出AD590輸出的電流，從而算出溫度值。AD590溫度傳感器測量電路如圖4-4-3所示。圖中R為取樣電阻，其兩端電壓為IR，而(R1+R)與R組成分壓電路，R1t 2W2 3 3上所分得的電壓正好為273.2mV，此電壓用來補償0。C時流過AD590的電流(273.2|1A)在R上所形成的壓降，以使0。C時電壓表的1示值為零。不難看出此電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)為1mV/。C，這樣數(shù)字電壓表上顯示的數(shù)值即代表以。C為單位的溫度值。例如：若環(huán)境溫度為30。C，調(diào)節(jié)氏可2使數(shù)字電壓表的示值為30.00mV。 可2本實驗中采樣電阻為5kQ，溫度單位為K，不必考慮對0。C時流過AD590的電流(273.2rA)在采樣電阻上所形成的壓降進行3業(yè)口圖4-4-3AD590測溫(°C)電路%*1心2732mVAD590補償。測量電路如圖4-4-4，轉(zhuǎn)換系數(shù)為5mV/K或5mV/。C，接3業(yè)口圖4-4-3AD590測溫(°C)電路%*1心2732mVAD590擴散硅壓阻式差壓傳感器袂顆測亍** r5KS3 量「 蜻圖4-4-4AD590測溫(K)電路本實驗使用差壓傳感器來測量玻璃瓶內(nèi)氣體的壓強。如圖4-4-5所示，將差壓傳感器袂顆測亍** r5KS3 量「 蜻圖4-4-4AD590測溫(K)電路1-電源輸入(+)；2-信號輸出(+)3-電源輸入(-)；4-信號輸出(-)圖4-4-5差壓傳感器外形圖U=1-電源輸入(+)；2-信號輸出(+)3-電源輸入(-)；4-信號輸出(-)圖4-4-5差壓傳感器外形圖K=—m o (4-4-7)p p0式中：p——被測氣體壓強；po 大氣壓強；U——C、D兩端壓差為(p-p)時傳感器的輸出電壓值； ’0Uo——C、D兩端壓差為零時傳感器的輸出電壓值；U——C、D兩端壓差為po時傳感器的輸出電壓值;由此可根據(jù)下式求出氣體的壓強。(4-4-8)本實驗所用的硅壓力傳感器事先已經(jīng)廠家標定，當被測氣體壓強為po+10.00kPa時，數(shù)字電壓表顯示為200mV，測量靈敏度為20mV/kPa，測量精度為5P；。由于各只硅壓力傳感器靈敏度不完全相同，故壓力傳感器與測試儀不能互換使用！【實驗儀器】FD-TX-NCD空氣比熱容比測定儀，直流穩(wěn)壓電源，電阻箱，數(shù)字氣壓計等?！緦嶒瀮?nèi)容】按圖連接好儀器電路，AD590溫度傳感器的正負極請勿接錯。開啟電源，將電子儀器預(yù)熱10分鐘，然后用調(diào)零電位器調(diào)節(jié)零點，把三位半數(shù)字電壓表示值調(diào)到0；用數(shù)字氣壓計測量大氣壓強p0，用水銀溫度計測量環(huán)境溫度t決室溫)；關(guān)閉放氣活塞2，打開進氣活塞1，用充氣球向瓶內(nèi)打氣，使瓶內(nèi)壓強升高1000?2000Pa(即數(shù)字電壓表顯示值升高20?40mV)左右，關(guān)閉進氣活塞1。待瓶中氣體溫度降到與室溫相同且壓強穩(wěn)定時，瓶內(nèi)氣體狀態(tài)為【(「「氣)。記下(U,U)；迅速打開放氣活塞2,使瓶內(nèi)氣體與大氣相通，由于瓶內(nèi)氣壓高于大氣壓，瓶內(nèi)TOC\o"1-5"\h\z部分氣體將突然噴出，發(fā)出“嗤”的聲音。當瓶內(nèi)壓強降至p0時(“嗤”聲剛結(jié)束)，立刻關(guān)閉放氣活塞2,此時瓶內(nèi)氣體狀態(tài)為II(p0，T1)。 °當瓶內(nèi)氣體溫度從t升到室溫Tq，且壓強穩(wěn)定后，此時瓶內(nèi)氣體狀態(tài)為III\o"CurrentDocument"(p2，T0)。記下(U,ut)。' 02每次測出一阻壓強值p、p、p，利用公式(4-4-4)計算空氣比熱容比Y。重復70 1 2次，計算Y的平均值。p1、p2的計算公式