空气比热容的测定

空气比热容比测定实验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比。2．观测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、实验仪器机箱（含数字电压表二只）、贮气瓶、传感器两只（电流型集成温度传感器AD590和扩散硅压力传感器各一只）图1空气比热容比测定实验装置图1．进气活塞C12.放气活塞C23.AD590传感器4.气体压力传感器5.704胶粘剂三、实验原理对1mol理想气体的定压比热容pC和定容比热容vC之关系由下式表式：RCCvp（1）（1）式中，R为气体普适常数。气体的比热容比值：35412压强调零温度3512vpCC（2）气体的比热容比现称为气体的绝热系数，它是一个重要的物理量，值经常出现在热力学方程中。测量值的仪器如图1所示，以到达状态II后贮气瓶内剩余的空气作为研究对象，进行如下实验过程：（其中P0为环境大气压强，T0为室温，V2表示贮气瓶体积）1）先打开放气阀C2，贮气瓶与大气相通，再关闭C2，瓶内充满与周围空气等温等压的气体。2）打开充气阀C1，用充气球向瓶内打气，充入一定量的气体，然后关闭充气阀C1。此时瓶内空气被压缩，压强增大，温度升高。等待内部气体温度稳定，此时的气体处于状态I（P1,V1,T1）。因瓶内气体压强增大，T1不完全等于T0。（注：V1小于V2，此时瓶中还有研究对象以外气体）3）迅速打开放气阀C2，使瓶内气体与大气相通，当瓶内压强降至P0时，立刻关闭放气阀C2，由于放气过程较快，气体来不及与外界进行热交换，可以近似认为是一个绝热膨胀过程。此时，气体由状态I（P1,V1,T1）转变为状态II（P0,V2,T2）。4）由于瓶内气体温度T2低于初温T1，所以瓶内气体慢慢从外界吸热，直至达到初温T1为止，此时瓶内气体压强也随之增大为P2，气体状态变为III（P2,V2,T1）。从状态II至状态III的过程可以看作是一个等容吸热的过程。状态I→状态II→状态III的过程如图(a)、(b)所示。（a）（b）图2实验过程状态分析状态I状态II状态III绝热膨胀等容吸热POVI（）II（）III（）等温线绝热线状态I→状态II是绝热过程，由绝热过程方程得2011VPVP（3）状态I和状态III的温度均为0T，由气体状态方程得2211VPVP（4）合并式（3）、（4），消去1V、2V得21012101/ln/lnlnlnlnlnPPPPPPPP（5）由式（5）可以看出，只要测得0P、1P、2P就可求得空气的。AD590测温原理：图3AD590温度传感器测温原理图AD590接6V直流电源后组成一个稳流源，见图3，它的测温灵敏度为1μA/℃，若串接k5电阻后，可产生5mV/℃的信号电压，接0～2000mV量程四位半数字电压表，灵敏度即可达到0.02℃。若电压表示值为U，以mV为单位，则其测量所得的温度为2735Ut℃。四、实验步骤1．按图3接好仪器的电路，AD590的正负极不能接错。用Forton式气压计测定大气压强0P，用水银温度计测环境室温0T。开启电源，预热20分钟后，用调零电位器调节零点，把三位半数字电压表示值调到02．把活塞C2关闭，活塞C1打开，用打气球把空气稳定地徐徐压入贮气瓶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，当瓶内压强及温度稳定时，记录表征初始测量端AD5906V压强和温度的电压值1'P及1'T3．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0P时（这时放气声消失），迅速关闭活塞C2，这时瓶内空气温度下降至2T4．当贮气瓶内空气的温度上升至室温0T时记下贮气瓶内气体的压强2'P和1''T的值。（因实验过程中室温可能有变化，故只需等瓶内压强2'P稳定即可记录，此时瓶中温度近似为1T）5．用公式（5）进行计算，求得空气比热容比值。五、注意事项1．实验内容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，都将影响实验要求，引入误差。由于数字电压表尚有滞后显示，用计算机实时测量可以发现此放气时间仅约零点几秒，并与放气声音的产生与消失很一致，所以关闭活塞C2用听声的方法更可靠些；2．实验要求环境温度基本不变，如发生环境温度不断下降情况，可在远离实验仪适当加温，以保证实验正常进行；3．请不要靠近窗口，太阳光照射较强处做实验，以免影响实验进行；4．密封装配后必须等胶水变干且不漏气，方可做实验；5．打气球橡胶管插入前可先沾水(或肥皂水)，然后轻轻推入二通，以防止断裂；6．若采用外接法，外接电池可采用四节甲电池串联作为6V直流电源；7．在充、放气后要让气体回到室温需要较长时间，且需要保证此过程中室温不发生变化。大量的实验数据显示，当温度变化趋于停止时，温度已经非常接近初温，此时可认为气体已处于平衡状态，由此引起的误差对实验结果的贡献不大。六、数据记录（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）2000/'101PPP；2000/'202PPP；其中0P单位Pa；'1P和'2P单位为mV，2000/'1P和2000/'2P的单位为Pa5101)/log()/log(2101PPPP（200mV读数相当于Pa410000.1）0P（Pa510）1'P(mV)1'T(mV)2'P(mV)1''T(mV)1P(Pa510)2P(Pa510)1.0171=1.373，理论值=1.402，百分差很小，为2.1%（注意：放气时间太长或太短都将引入较大误差）。七、附录关于空气比热（II型）内接电源的使用说明利用AD590温度传感器测温时可以利用机箱内部的现成电路，我们把它称为内接法；也可以由学生自己动手练习接AD590温度传感器测温电路，我们把它称为外接法。我公司根据这两种要求生产了一批内接标准5K测量电阻和6V基准稳压源及外接6V甲电池和电阻箱。两种方法的测量原理图见图3、图4。图3外接法外接法：如果实验需要改变测量电阻，则把机箱后面的船型开关接向外这一边，在外面把甲电池、测量电阻、AD590串联起来，把测量电阻二端分别接在面板的红、黑输入端即可进行测量。图4内接法内接法：使用时如果采用内接电阻和电源，则把机箱后面的船型开关接向内这一边即可。这时把AD590输出端的红、黑分别接在面板的红、黑输入端，即可进行测量。