一種測量氣體比熱容比的裝置及其測量方法與流程

2024-03-21 01:16:05

本發明屬於物理學領域，涉及一種物理實驗裝置及方法，具體涉及一種測量氣體比熱容比的裝置及其測量方法。
背景技術：
：氣體的比熱容比是指氣體的定壓比熱容與定容比熱容的比值，在熱力學理論和工程技術應用中它是一個很重要的基本物理量。測量氣體的熱容比實驗也是大學物理實驗的基本實驗之一，常用的測量方法一般有兩種：絕熱膨脹法和小球振動法。。現有的採用絕熱膨脹法測量比熱容比實驗裝置存在以下缺點：(1)通常都要採用壓力傳感器或溫度傳感器測量氣體的壓強變化或溫度變化，甚至還需要用到光電傳感器等先進的實驗手段，設備和測量原理都相對複雜，成本較高。(2)測量原理相對複雜，涉及的技術手段多，需要測量的物理量多，操作和學習者理解困難。(3)通常裝置只能對空氣的比熱容比進行實驗，無法滿足其它氣體的實驗需求。(4)實驗結果與理論值相比誤差較大，主要在於無法準確判斷絕熱膨脹過程的結束時間，不能及時關閉出氣閥門，傳統實驗中只能採取「聽聲法」這種主觀差別較大的方法。技術實現要素：根據以上現有技術的不足，本發明提供一種測量氣體比熱容比的裝置及其測量方法，具有實驗裝置簡單，成本低，測量數據少，計算方便，誤差值小的特點。本發明所述的一種測量氣體比熱容比的裝置，其特徵在於：包括貯氣瓶，所述的貯氣瓶的瓶口處設置有雙孔塞，所述的雙孔塞其中一個孔連接有導氣短管，所述的導氣短管的下埠位於雙孔塞下方的瓶口位置處，所述的雙孔塞另一個孔連接有導氣長管，所述的導氣長管的下埠貯氣瓶內底部，所述的導氣短管和導氣長管上均設置有閥門；所述的貯氣瓶的側壁連通有u型管的一端，所述的u型管內填充有水銀，所述的u型管另一端與大氣相連通。其中，優選方案如下：所述的雙孔塞與貯氣瓶的瓶口處之間設置有密封圈，減少因氣體洩漏所帶來的誤差影響。所述的u型管的管身上設置有刻度值，方便直接讀取數值，不用再額外使用工具測量。所述的u型管另一端與大氣相連通並設置有閥門，在裝置不使用的情況下關閉該閥門，有效降低水銀的危害。本發明所述的測量氣體比熱容比的測量方法，其特徵在於按照以下步驟進行：(1)保持導氣短管和導氣長管暢通，u型管內水銀的兩側壓強與大氣壓強p0相等且液面高度保持一致，通過其中一個管向貯氣瓶中充入待測氣體，則另一根管作為出氣管，待瓶內完全充滿後關閉另一根管，然後繼續充入待測氣體使得連通貯氣瓶一側的水銀液面高度下降一段距離後停止通氣，此時，瓶內氣體達到穩定狀態i(p1、v1、t1)，其中，p1＝p0+ρgh1，ρ為水銀密度，g為常數9.8n/kg，h1為水銀兩側的液面高度差；其中，當測量空氣的比熱容比時，選取導氣短管或導氣長管其中之一作為進氣管，通過充氣球向瓶內充氣；當測量比空氣密度小的氣體的比熱容比時，選取導氣短管作為進氣管，導氣長管作為出氣管，導氣短管連接待測氣體的氣瓶向瓶內充氣；當測量比空氣密度大的氣體的比熱容比時，選取導氣長管作為進氣管，導氣短管作為出氣管，導氣長管連接待測氣體的氣瓶向瓶內充氣。(2)迅速打開步驟(1)中的出氣管，即令其絕熱膨脹，使瓶內氣體與大氣相通，將待測氣體從貯氣瓶內噴出，當水銀兩側液面高度一致時，即瓶內壓強與外界大氣壓一致，立刻關閉出氣管，此時，瓶內氣體達到穩定狀態ⅱ(p0、v2、t2)；(3)絕熱膨脹後，瓶內氣體從外界吸熱，經歷一個等容吸熱過程，直至瓶內氣體達到t1為止，此時瓶內氣體壓強也隨之由p0增大為p3，此時，瓶內氣體達到穩定狀態ⅲ(p3、v2、t1)，其中，p3＝p0+ρgh2，h2為水銀兩側的液面高度差；(4)計算，穩定狀態i至穩定狀態ⅱ的變化是絕熱的，故滿足泊松公式，而穩定狀態ⅲ與穩定狀態i是等溫的，滿足玻意耳定律，p1v1＝p3v2，兩式消去v1和v2，得由於p0>>ρgh1>>ρgh2，因此，既得γ＝ρgh1/(ρgh1-ρgh2)。本發明所具有的優點如下：(1)結構簡單，器材組件現有的實驗室可以輕易組裝搭配，無需要任何傳感器、壓力表及數控設備，大大降低了成本，u型管內的水銀高度變化直觀可讀，便於觀察教學；(2)測量的物理量少，通過最終的公式推導，只需要記錄每次水銀的高度變化值h1和h2，計算方便；(3)通過對導氣短管和導氣長管的配合使用，可以實現對不同氣體的比熱容比實驗，不再局限於測量空氣這一單一氣體；(4)實驗結果與理論值相比誤差小，通過水銀兩側的液位變化，能夠準確判斷絕熱膨脹過程的結束時間，能夠及時關閉出氣閥門，為實驗的準確性和可靠性提供了充分保障。附圖說明圖1為本發明的結構示意圖；圖中，1、貯氣瓶2、雙孔塞3、導氣短管4、導氣長管5、u型管6、水銀7、閥門。具體實施方式以下結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例1：如圖1所示，一種測量氣體比熱容比的裝置，包括貯氣瓶1，所述的貯氣瓶1的瓶口處設置有雙孔塞2，所述的雙孔塞2其中一個孔連接有導氣短管3，所述的導氣短管3的下埠位於雙孔塞2下方的瓶口位置處，所述的雙孔塞2另一個孔連接有導氣長管4，所述的導氣長管4的下埠貯氣瓶1內底部，所述的導氣短管3和導氣長管4上均設置有閥門7；所述的貯氣瓶1的側壁連通有u型管5的一端，所述的u型管5內填充有水銀6，所述的u型管5另一端與大氣相連通。所述的雙孔塞2與貯氣瓶1的瓶口處之間設置有密封圈，減少因氣體洩漏所帶來的誤差影響。所述的u型管5的管身上設置有刻度值，方便直接讀取數值，不用再額外使用工具測量。所述的u型管5另一端與大氣相連通並設置有閥門7，在裝置不使用的情況下關閉該閥門7，有效降低水銀的危害。實施例2：採用實施例1所述的裝置測量氣體比熱容比，按照以下步驟進行：(1)保持導氣短管3和導氣長管4暢通，u型管5內水銀6的兩側壓強與大氣壓強p0相等且液面高度保持一致，通過其中一個管向貯氣瓶中充入待測氣體，則另一根管作為出氣管，待瓶內完全充滿後關閉另一根管，然後繼續充入待測氣體使得連通貯氣瓶1一側的水銀6液面高度下降一段距離後停止通氣，此時，瓶內氣體達到穩定狀態i(p1、v1、t1)，其中，p1＝p0+ρgh1，ρ為水銀6密度，g為常數9.8n/kg，h1為水銀6兩側的液面高度差；其中，當測量空氣的比熱容比時，選取導氣短管3或導氣長管4其中之一作為進氣管，通過充氣球向瓶內充氣；當測量比空氣密度小的氣體的比熱容比時，選取導氣短管3作為進氣管，導氣長管4作為出氣管，導氣短管3連接待測氣體的氣瓶向瓶內充氣；當測量比空氣密度大的氣體的比熱容比時，選取導氣長管4作為進氣管，導氣短管3作為出氣管，導氣長管4連接待測氣體的氣瓶向瓶內充氣。(2)迅速打開步驟(1)中的出氣管，即令其絕熱膨脹，使瓶內氣體與大氣相通，將待測氣體從貯氣瓶1內噴出，當水銀6兩側液面高度一致時，即瓶內壓強與外界大氣壓一致，立刻關閉出氣管，此時，瓶內氣體達到穩定狀態ⅱ(p0、v2、t2)；(3)絕熱膨脹後，瓶內氣體從外界吸熱，經歷一個等容吸熱過程，直至瓶內氣體達到t1為止，此時瓶內氣體壓強也隨之由p0增大為p3，此時，瓶內氣體達到穩定狀態ⅲ(p3、v2、t1)，其中，p3＝p0+ρgh2，h2為水銀6兩側的液面高度差；(4)計算，穩定狀態i至穩定狀態ⅱ的變化是絕熱的，故滿足泊松公式，而穩定狀態ⅲ與穩定狀態i是等溫的，滿足玻意耳定律，p1v1＝p3v2，兩式消去v1和v2，得由於p0>>ρgh1>>ρgh2，因此，既得γ＝ρgh1/(ρgh1-ρgh2)。實施例3：採用實施例1的裝置和實施例3的方法，測量co2的比熱容比，具體數據如下：h1h2γ實驗18cm1.8cm1.2903實驗27cm1.6cm1.2963實驗36cm1.4cm1.3043co2的比熱容比的理論值為1.295，上述三次實驗誤差均小於1％，小於傳統實驗中的2～3％，證明該裝置和方法現實可行，適宜在教學和實驗中推廣使用。當前第1頁12