空气比热容比的测定
气体的定压比热容与定容比热容之比称为气体的绝热指数,它是一个重要的热力学常数,在热力学方程中经常用到,本实验用新型扩散硅压力传感器测空气的压强,用电流型集成温度传感器测量空气的温度变化,从而得到空气的绝热指数。
【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.了解压力传感器和电流型集成温度传感器的工作原理及使用方法。
【实验原理】
对1mol理想气体的定压比热容CP和定容比热容CV之间关系如下:
CP-CV=R (R为气体普适常数) (1)
气体的比热容比为:
= (2)
气体的比热容比也称为气体的绝热系数,在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的物理量。
如图1所示,我们以贮气瓶内空气(近似为理想气体)作为研究对象,定义P0为环境大气压强、T0为室温以及V2为储气瓶体积,进行如下实验过程:
图1实验仪器简图
(1)首先打开放气阀A,使储气瓶与大气相通,再关闭A,则瓶内将充满与周围空气等温等压的气体。
(2)打开充气阀B,用充气球向瓶内打气,充入一定量的气体,然后关闭充气阀B。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,且达到与周围环境温度相等,定义此时的气体处于状态Ⅰ(,,)。
(3)迅速打开放气阀A,使瓶内气体与大气相通,当瓶内压强降至时,立刻关闭放气阀A,由于放气过程较快,瓶内气体来不及与外界进行热交换,可以近视认为是一个绝热膨胀的过程。此时,气体由状态I(,,)转变为状态Ⅱ(,,)。
(4)由于瓶内气体温度低于室温,所以瓶内气体慢慢从外界吸热,直至达到室温为止,此时瓶内气体压强也随之增大为,气体状态变为Ⅲ(,,)。从状态Ⅱ→状态Ⅲ的过程可以看作是一个等容吸热的过程。
气体状态Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ的过程如图2所示:
图2 气体状态过程变化
状态Ⅰ→状态Ⅱ是绝热过程,由绝热过程方程得:
(3)
状态Ⅰ和状态Ⅲ的温度均为T0,由气体状态方程得:
(4)
合并式(1)、式(2),消去,得
(5)
由式(5)可以看出,只要测得、、就可求得空气的绝热指数。
【实验仪器】
一、DH-NCD-Ⅱ 空气比热容比测定仪
本实验仪器由测试仪、扩散硅压力传感器、电流集成温度传感器AD590、充气阀、放气阀、充气球、玻璃储气瓶,如图3所示:
8. 扩散硅压力传感器接口
①储气瓶组件 ②测试仪
图3 DH-NCD-Ⅱ空气比热容比测定仪
1.扩散硅压力传感器
扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成
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