西蒙气体温度计与蒸汽压温度计.docx

西蒙气体温度计与蒸汽压温度计实验目的通过实验了解气体温度计和蒸汽压温度计的测温原理,学习利用这两种温度计测量低温温度的技术及误差分析,掌握低温物理实验中常用的减压降温及恒压控温的技术。实验原理西蒙气体温度计的结构和原理如下图所示,西蒙气体温度计由三部分组成:感温泡用紫铜加工而成,因紫铜导热性良好,可以改善温泡和待测温物体的热接触压力指示器采用弹簧管精密真空表。它有一弹性弯管通过杠杆链接到指针上。当管内气体压力变化时,弹簧管发生形变,带动指针指示相应的真空度,一般情况下弹簧管的体积可认为不变,因而可供制作简单的定容气体温度计。连接感温泡和压力指示器的毛细管毛细管的作用是充当压力传输管,可选内径为的不锈钢管。西蒙气体温度计示意图将毛细管分别与感温泡及真空表焊接后抽至帕量级的真空,充入氦气并置换几次,最后封入少量氦气,理想气体状态方程为(1)式中为气体压力,为气体摩尔体积,为绝对温度,为普适气体常数。在本实验中,以代表感温泡的体积,代表真空表内弹簧管的体积,以及附加的密封铅管管道的体积(总称“死体积”)。代表室温时气体温度计内气体压力。忽略毛细管的体积,则当感温泡进入液氮中,温泡内气体温度下降至,压力亦相应变为,由(1)式应有(2)式中为温度计内的气体的摩尔数。由(2)式可得:(3)其中。如果和两者之一或都不知道,可由(3)式写成另外一种形式(4)而求得,由其他温度计测得室温后,读出真空表相应于室温的,再读出感温泡置于液氮沸点(已知)时真空表读数,立即可定出。也可以将(2)式写成另外的形式:(5)若令(6)则有(7)式中与呈线性关系,利用作图法可以方便的建立关系。以上讨论的是理想气体的情形。实际为照顾真空表的读数范围,实验中所充的氦气并没有稀薄到完全可以忽略。考虑到真空气体中第二维里系数项所产生的影响,气体状态方程应为(8)比较(1)式和(8)式,温度的修正项为(9)第二维里系数的值和温度有关,表1列出了氦的第二维里系数的值。表8-----,如真空表读数误差,热分子压差效应引起的误差,温泡体积热胀冷缩变化,处于温度梯度内的毛细管体积对值的影响等。其中真空表读数不精确是主要来源,估算时可将(2)式两边对求偏导数得:(10)。若预先对准精密真空表的刻线进行压力标定,。蒸汽压温度计如果我们借助于一台抽气机降低液体表面上的蒸汽压,那么由于表面蒸汽压的降低,会导致液体内部一些动能较大的分子逸出液面被抽气机抽走,从而使液体的平均动能降低,也就是说降低了液体的温度。根据热力学的相平衡理论,单元两相系在相平衡时温度和压力之间存在一一对应的关系,为获得表达液体的这种关系的蒸汽压方程,可对克劳修斯克拉贝龙方程积分,积分后的系数要借助于气体温度计来标定。对于氮蒸汽压温度计,其饱和蒸汽压与温度的关系为(11)如果测得压强p,则可求得温度T为:(12)其中。氮蒸汽压温度计上图为本实验所用的氮蒸汽压温度计。它由一浸于液氮中待测温区的温泡和置于杜瓦瓶上方的精密真空表以及连接这两者的德银管组成。温泡内充以一定量的纯净液氮;带有真空夹层的德