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文本内容:
.实验名称空气比热容比的测定.实验目的1了解绝热、等容的热力学过程及有关状态方程2测定空气的比热容比.实验原理:主要原理公式及简要说明、原理图1热力学第一定律及定容比热容和定压比热容热力学第一定律系统从外界吸收的热量等于系统内能的增加和系统对外做功之和考虑在准静态情况下气体由于膨胀对外做功为dA=PdV所以热力学第一定律的微分形式为dQ=dE+dA=dE+PdV1定容比热容5是指1mol的理想气体在保持体积不变的情况下,温度升高1K所吸收的热量由于体积不变,则由⑴式可知,这吸收的热量也就是内能的增加dQ=dE所以C「阳喑⑵V由于理想气体的内能只是温度的函数,所以上述定义虽然是在等容过程中给出,实际上任何过程中内能的变化都可以写成dE=CvdT定压比热容是指1mol的理想气体在保持压强不变的情况下,温度升高1K所吸收的热量即Cp=给⑶P由热力学第一定律⑶式,考虑在定压过,就有dV+
(4)入4式,就得到定压比热容与定容比热容的关系C=C+R⑸PVR是气体普适常数,为
8.31J/mol・K引入比热容比牛为W=C/C6PV在热力学中,比热容比是一个重要的物理量,它与温度无关气体运动理论告诉我们例如,对单原子气体(Ar、He)f=3甲=
1.67对双原子气体($、%、02)f=5W=1・40对多原子气体(CO、CH4)f=6V=
1.33
(2)绝热过程系统如果与外界没有热交换,这种过程称为绝热过程,因此,在绝热过程中,dQ=O所以由热力学第一定律有dA=YE或PdV=-CdT
(8)V由气态方程PV=RT两边微分,得PdV+VdP=RdT
(9)
(8)、
(9)两式中消去dT得两边除PV即得dPdV-p+W-y-=0
(10)对
(10)式积分,就得到绝热过程的状态方程PVw=常数
(11)利用气态方程PV=RT还可以得到绝热过程状态方程的另外两种形式TW-1=常数
(12)Pw-iT7=常数
(13).实验内容用一个大玻璃瓶作为贮气瓶
(1)实验开始时,先打开放气阀B和进气阀A打开充气开关(左旋充气球阀门C)使贮气与大气相通将仪器显示的气压差数调零(注意,仪器显示的是贮气瓶内气压与大气压Po的差)
(2)然后关闭放气阀B关闭充气开关(右旋拧紧气阀C)用打气球向瓶内送气,使瓶内气压上升,瓶中空气的温度也上升当瓶内气压比大气压高
5、6kPa时(瓶内气压与大气压之差由比热容比测定仪上显示),关闭进气阀Ao这时瓶内气温略高于环境温度,因此瓶内空气与环境有热交换,使瓶内的气压与温度都不稳定,而是逐渐下降的直到瓶内气温与环境温度相同时,瓶内气压趋于稳定值匕,这时瓶内气体处于P—V图中状态I(P「T0)o这T为环境温度这时记下仪器气压差显示值P.(瓶内气压P1=P0+Pl)U】小1UI不
(3)后打开放气阀A听到放气声,待放气声结束(仪器显示的气压差值为0)立即迅速关闭放气阀A这时瓶内有一部分空气从瓶内放出,剩余在瓶内的空气气压下降到大气P(仪器上显示的与大气压差为0)由于放气过程极迅速,空气又是热的不良导体,因此剩在瓶内的那部分空气从状态I(P「%、T0)到状态II(P、V2经历的过程是绝热过程(在放气过程中瓶内空气来不及与外界行热交换)V2为贮气瓶体积,V1为保留在瓶中这部分气体在状态I(匕、T)时的体积4放气后由于瓶内气压下降,使瓶内气温也下降到T2T0因此放气后瓶内空气又从外界吸收热量而使其温度上升,同时瓶内气压也上升到瓶内温度上升到室温T时,瓶内气压趋于稳定记下这时仪器显示的气压差值P2示瓶内气压P2=P0+P
2.气体处于P—V图中状态mF、v2t0从状态n到状态ni的近程是等容过程J上述过程如图4-18所示我们以放气后瓶内的那部分气体作为考虑的对象,这部分气体占前瓶内的大部分,但不是全部这部分气体在状态I时压强为P[温度为To而放气后压强降为P大气压,温度降为丁2〈丁0,I—n的过程是绝热过程,用绝热的状态方程4・53式有Ty*14T0n到川过程是等容过程,在这过程中瓶内气温又从丁2升到环境温度T,气压上升到P2根据等容过程的状态方程,有T—0-T2联合
14、15式两边取对数,即可解出InP-lnP%=10-16InPInpi12图1状态变化过程.注意事项1放气的过程应该特别小心,打开B阀后,瓶内空气达到大气压时应立即关闭B阀2由于硅压力传感器灵敏度不完全相同,一台仪器配一只专用压力传感器,请勿互换3状态I的记录要注意向瓶内压入空气后关闭进气阀门A等气压稳定后即容器内温度下降到室温时才读出示实际上只要等示值稳定即可读出⑷状态III的压强P2示会等到容器内气温达至t室温时记录瓶内气压,实际上只耍等P2_值稳定即可读出‘小5实验内容中打开放气阀门时,当听到放气声结束应迅速关闭放气阀门,提早或推迟关闭放气阀门,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,经计算机实时测量,发现此放气时间约零点几秒,并与放气声产生消失很一致,所以关闭放所阀门用听放气声较准确.实验仪器主要实验主要仪器的名称、型号及主要技术参数测量范围和仪器误差1实验仪器NCD-1空气比热容比测定仪2仪器介绍
①NCD-1空气比热容比测定仪1—充气球打气球2一充气阀开关气阀C左旋放气;打气时须右旋拧紧3—进气阀、4一出气阀连接电缆固定于瓶盖、5—压力传感器、6—温度传感器LM35o
②技术指标
①压差测量范围
0.01kPa—
10.00kPa三位半数码管显示
②10kPa以上蜂鸣器报警
③温度电压显示0—
19.99mV四位半数码管显示
④稳压电源输出电压
6.00V.数据记录及处理
①数据记录P0=103KPa状态2
②数据处理所测空气比热容比的平均值为相对不确定度和不确定度的计算如下A=10Pa仪用不确定度表示空气比热容比的测量结果如下:.数据分析相对误差计算W.W理,100%=4°
2.1・317_)I%=1%w1402理误差分析本实验中采用高精度、高灵敏度的硅压力传感器和电流型集成温度传感器分别测量气体的压强和温度,测量得到空气的比热容比为
1.317与理论值
1.402相比偏小,相对误差为
6.1%o造成误差的主要原因有
(1)实验时的工作物质是实际气体而非理想气体,它所遵循的状态变化规律与理想气体所遵循的变化规律存在差异实验时用理想气体的状态方程来推导实际气体的比热容比的计算公式,其结果必然存在理论近似误差
(2)实验时贮气瓶内气体所经历的过程并非真正的准静态过程
(3)实验中很难准确判断放气过程是否结束,提前或推迟关闭放气阀的时间都将影响实验结果;同时、瓶内气体总要通过容器壁与外界进行热交换,此过程并非真正的绝热过程
(4)实验装置中玻璃材料组件的端面之间均采用粘结方式由于粘结面大、接头多,在经常性的移动,以及温湿度变化时效的影响下,会产生极细微的泄漏这种泄漏,对实验结果也有影响
(5)压力传感器、温度传感器及数字电压表本身灵敏度对测量结果的影响.结果的分析讨论本实验中采用高精度、高灵敏度的硅压力传感器和电流型集成温度传感器分别测量气体的压强和温度,测量得到空气的比热容比为
1.317与理论值的相对误差为
6.1%误差原因已经在前面进行了分析。