CN101718726A - 一种气体比热容比的测定装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种气体比热容比的测定装置及其测量方法，本发明所述装置包括第一、第二贮气瓶，带有刻度的U型管，打气球，压强传感器，数据测量及处理系统，四个瓶塞，四个三端口玻璃导管，二端口玻璃导管，固定座以及六个旋塞式气阀。本发明所述方法通过检测不同状态下的U型管及贮气瓶的参数，根据气体的绝热方程得到气体比热容比。本发明测量快速、便捷。

Description

一种气体比热容比的测定装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种涉及气体比热容测量技术领域，具体的说是涉及一种气体比热容比的测定装置及其测量方法。

背景技术

现有的气体比热容比测量方法和装置种类不多，现在各高校主要是利用频率来测气体比热容比。目前能精确测量气体比热容比的仪器不多。大学实验室中通过通过测量空气弹簧振子固有频率，从而测定气体比热容比值的方法。这种测定方法装置简单，但这种测量装置不能忽略小球和瓶壁间的摩擦，故得出的结果误差较大。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种气体比热容比的测定装置及其测量方法。使测量得到的气体比热容比更接近理论值。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种气体比热容比的测定装置，其特征在于包括第一、第二贮气瓶，带有刻度的U型管，打气球，压强传感器，数据测量及处理系统，四个瓶塞，四个三端口玻璃导管，二端口玻璃导管，固定座以及六个旋塞式气阀，其中第五玻璃导管的一端与打气球的出口接合、另一端穿过第三瓶塞插入第二贮气瓶，二端口玻璃导管的两端分别设置第一、第二旋塞式气阀；第四三端口玻璃导管的一端穿过第三瓶塞插入第二贮气瓶、另一端穿过第四瓶塞插入U型管的一端、第三端设置第六旋塞式气阀，U型管固定于固定座上；第三三端口玻璃导管的一端穿过第二瓶塞插入U型管的另一端、另一端通过第三旋塞式气阀与第二三端口玻璃导管的一端接合、第三端通过第四旋塞式气阀与第一三端口玻璃导管的一端接合；第一三端口玻璃导管的另一端穿过第一瓶塞插入第一贮气瓶、第三端设置压强传感器，所述压强传感器通过导线与数据测量与处理系统相连接；第二三端口玻璃导管的另一端穿过第一瓶塞插入第一贮气瓶、第三端设置第五旋塞式气阀。

所述的一种气体比热容比的测定装置，其特征在于所述的数据测量与处理系统为单片机系统，包含数据测量、运算处理、记录和显示模块，其中测量模块的输入端接压强传感器的输出端，测量模块、记录模块的输出端分别接运算处理模块的输入端，运算处理模块的输出端接显示模块的输入端。

所述的一种气体比热容比的测定装置，其特征在于所述压强传感器的型号为MS5540B。

一种气体比热容比的测定装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

a、在测量前首先检查装置的气密性：将第二贮气瓶中充满水，打开第一至第五旋塞式气阀用打气球向第二贮气瓶中打气，若有液体进入U型管中且出现了液位差，则第三旋塞式气阀之前装置的气密性良好；然后关闭旋塞式气阀打开旋塞式气阀，当U型管中的液位变化即一端液位上升、另一端下降，则所述测定装置气密性良好，否则所述测定装置气密性不良，检查装置直至所述测定装置气密性良好；

b、启动数据测量与处理系统，打开六个旋塞式气阀使得所述测定装置中各处的大气压强与第一贮气瓶外的压强相等为P_o；关闭旋塞式气阀，打开气阀，通过打气球向所述测定装置中充气，充满水的贮气瓶2中的水流向U型管，将U型管中的气体压入第一贮气瓶中，待液位稳定后，此时U型管中液体的体积即为压入第一贮气瓶中气体的体积v₁，已知第一贮气瓶的容积为V_o，采用压强传感器检测得到此时第一贮气瓶内的压强值P₁，则此时第一贮气瓶内的气体状态为I(P₁，V₁)，V₁＝V_o+v₁，

C为常数，其中V₁为第一贮气瓶内的气体状态为I时的体积；

c、关闭旋塞式气阀，打开旋塞式气阀，打开关闭的旋塞式气阀，此时U型管中另一端的液位下降v₂，采用压强传感器检测得到此时第一贮气瓶内的压强值P₂，此时第一贮气瓶内的气体状态为II(P₂，V₂)，V₂＝V₁-v₂，

C为常数，带入有气体的绝热方程

计算出气体比热容比：其中V₂为第一贮气瓶内的气体状态为II时的体积。

本发明具有以下有益效果：根据本发明的气体比热容比的测定方法设计的测量装置，可以实现快速、便捷的测量，提高实验精度，可以直接测算出气体比热容比，免去了间接测算的误差，测得的气体比热容比值更接近于理论值。此装置简单易于操作，避免了通过测量空气弹簧振子固有频率，从而测定气体比热容比值的方法中小球和瓶壁间摩擦产生的误差。在大学物理实验中验证气体比热容比值效果极佳。因此在研究气体内能及焓等热学特性方面有广泛的应用前景。

附图说明

图1：时本发明气体比热容比装置的示意图。

1，2-定容贮气瓶、3-带有刻度的U型管、4-打气球、5-压强传感器、6-数据测量与处理系统、7，8，22，23-瓶塞、9-阀门C₁、10-阀门C₂、11-阀门C₃、12-阀门C₄、13-阀门C₅、21-阀门C6、16，17，18为导管、19-导线、20-固定座。

图2：本发明数据测量与处理系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种气体比热容比的测定装置，其特征在于包括第一、第二贮气瓶1、2，带有刻度的U型管3，打气球4，压强传感器5，数据测量及处理系统6，四个瓶塞7、8、22、23，四个三端口玻璃导管14、15、16、17，二端口玻璃导管18，固定座20以及六个旋塞式气阀9、10、11、12、13、21，其中第五玻璃导管18的一端与打气球4的出口接合、另一端穿过第三瓶塞22插入第二贮气瓶2，二端口玻璃导管18的两端分别设置第一、第二旋塞式气阀9、10；第四三端口玻璃导管17的一端穿过第三瓶塞22插入第二贮气瓶2、另一端穿过第四瓶塞23插入U型管3的一端、第三端设置第六旋塞式气阀21，U型管3固定于固定座20上；第三三端口玻璃导管16的一端穿过第二瓶塞8插入U型管3的另一端、另一端通过第三旋塞式气阀11与第二三端口玻璃导管15的一端接合、第三端通过第四旋塞式气阀12与第一三端口玻璃导管14的一端接合；第一三端口玻璃导管14的另一端穿过第一瓶塞7插入第一贮气瓶1、第三端设置压强传感器5，所述压强传感器5通过导线19与数据测量与处理系统6相连接；第二三端口玻璃导管15的另一端穿过第一瓶塞7插入第一贮气瓶1、第三端设置第五旋塞式气阀13。

上述贮气瓶1，2为定容玻璃瓶；

上述U型管3为带有刻度的玻璃仪器；

上述打气球4为橡胶材料制成；

上述压强传感器5为高灵敏度高精度压强传感器；

上述数据测量与处理系统6通过单片机来实现，包括数据测量与显示；

上述瓶塞7，8，22，23为封闭良好的橡胶塞，用于封闭贮气瓶及U型管；

上述气阀9，10，11，12，13，21为开关性良好的气阀；

上述玻璃导管14，15，16，17为具有三端口的玻璃导管；

上述导管18为一般的玻璃导管；

上述导线19为一般铜导线；

如图2所示，所述的数据测量与处理系统6为单片机系统，包含数据测量、运算处理、记录和显示模块，其中测量模块的输入端接压强传感器5的输出端，测量模块、记录模块的输出端分别接运算处理模块的输入端，运算处理模块的输出端接显示模块的输入端。

利用上述气体比热容比测量装置测量气体比热容比的具体步骤如下：a、在测量前首先检查装置的气密性。贮气瓶2中充满的水，打开阀门C₁，C₂，C₄，C₃，C₅用打气球向装置中打气，若有液体进入U型管3中且出现了液位差，说明C₃之前装置的气密性良好。然后关闭C₁，C₂，C₄，打开C₃，C₅，可以看到U型管中的液位变化，及一侧液位上升一侧下降，则说明该装置气密性良好，若无此变化说明装置气密性不良；b、打开数据测量与处理系统6中的开关，打开装置中的所有气阀是装置中各处的大气压强与贮气瓶1外的压强相等为P₀，此时装置6的显示屏上显示的压强等于大气压P₀。关闭气阀C₃，C₅，C₆，打开气阀C₁，C₂，C₄，通过打气球4向装置中充气，可以看到充满水的贮气瓶2中的水流向U型管2，将U型管中的气体压入贮气瓶1中，待液位稳定后，此时U型管中液体的体积即为压入贮气瓶1中气体的体积v₁，已知贮气瓶1的容积为V₀，读出此时贮气瓶1内的压强值P₁，则此时瓶内的状态为I(P₁，V₁)，

(C为常数)

c、关闭气阀C₂，C₄，打开气阀C₆，迅速打开关闭气阀C₃，此时U型管中一侧的液位有所下降v₂，读出此时瓶内压强值P₂，此时瓶内气体的状态II(P₂，V₂)，

(C为常数)带入有气体的绝热方程

可以计算出气体比热容比。

$\mathrm{\γ}=\frac{{\log }_{10}P2/P_1}{{\log }_{10}{V}_2/V_2}$

测量气体比热容比的原理如下：

气体比热容比的定义为γ＝C_p/c_v，又在气体绝热过程中有PV^γ＝C(C为常数)，可以得出绝热过程的两个状态满足：

因此，只要测出绝热过程两个状态的体积和压强，通过计算就可直接得出气体比热容比。

下面对气体比热容比的测量方法进行如下说明：

测量气体比热容比的方法如下：a、测量前进行气密性检验，a、在测量前首先检查装置的气密性。贮气瓶2中充满的水，打开阀门C₁，C₂，C₄，C₃，C₅用打气球向装置中打气，若有液体进入U型管3中且出现了液位差，说明C₃之前装置的气密性良好。然后关闭C₁，C₂，C₄，打开C₃，C₅，可以看到U型管中的液位变化，及一侧液位上升一侧下降，则说明该装置气密性良好，若无此变化说明装置气密性不良。

b、打开数据测量与处理系统6中的开关，打开装置中的所有气阀是装置中各处的大气压强与贮气瓶1外的压强相等为P₀，此时装置6的显示屏上显示的压强等于大气压P₀。关闭气阀C₃，C₅，C₆，打开气阀C₁，C₂，C₄，通过打气球4向装置中充气，可以看到充满水的贮气瓶2中的水流向U型管2，将U型管中的气体压入贮气瓶1中，待液位稳定后，此时U型管中液体的体积即为压入贮气瓶1中气体的体积v₁，已知贮气瓶1的容积为V₀，读出此时贮气瓶1内的压强值P₁，则此时瓶内的状态为I(P₁，V₁)，V₁＝V₀+v₁.

$P_1{V}_1^{\mathrm{\γ}}=C$ (C为常数)(1)

c、关闭气阀C₂，C₄，打开气阀C₆，迅速打开关闭气阀C₃，因为时间短瓶内气体来不及与外界进行热交换，故看成是绝热过程，此时U型管中一侧的液位有所下降v₂，读出此时瓶内压强值P₂，此时瓶内气体的状态II(P₂，V₂)，V₂＝V₁-v₂.

$P_2{V}_2^{\mathrm{\γ}}=C$ (C为常数)(2)

由(1)(2)二式带入有气体的绝热方程得：

$P_1{V}_1^{\mathrm{\γ}}=P_2{V}_2^{\mathrm{\γ}}$ (3)

可以计算出气体比热容比：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\log }_{10}{P}_2/P_1}{{\log }_{10}{V}_2/V_2}$

P₁为状态I瓶内气体压强，V₁为状态I时瓶内气体体积；P₂为状态II时瓶内气体的压强，V₂为状态II时瓶内气体的体积。

测量气体比热容比的原理如下：

气体比热容比的定义为：γ＝C_p/C_v(Cp是气体的定压热容，Cv为气体的定体热容)，又在气体绝热过程中有PV^γ＝C(C为常数)，可以得出绝热过程的两个状态满足：

因此，只要测出绝热过程两个状态的体积和压强，通过计算就可直接得出气体比热容比。

Claims (4)

1.一种气体比热容比的测定装置，其特征在于包括第一、第二贮气瓶(1、2)，带有刻度的U型管(3)，打气球(4)，压强传感器(5)，数据测量及处理系统(6)，四个瓶塞(7、8、22、23)，四个三端口玻璃导管(14、15、16、17)，二端口玻璃导管(18)，固定座(20)以及六个旋塞式气阀(9、10、11、12、13、21)，其中第五玻璃导管(18)的一端与打气球(4)的出口接合、另一端穿过第三瓶塞(22)插入第二贮气瓶(2)，二端口玻璃导管(18)的两端分别设置第一、第二旋塞式气阀(9、10)；第四三端口玻璃导管(17)的一端穿过第三瓶塞(22)插入第二贮气瓶(2)、另一端穿过第四瓶塞(23)插入U型管(3)的一端、第三端设置第六旋塞式气阀(21)，U型管(3)固定于固定座(20)上；第三三端口玻璃导管(16)的一端穿过第二瓶塞(8)插入U型管(3)的另一端、另一端通过第三旋塞式气阀(11)与第二三端口玻璃导管(15)的一端接合、第三端通过第四旋塞式气阀(12)与第一三端口玻璃导管(14)的一端接合；第一三端口玻璃导管(14)的另一端穿过第一瓶塞(7)插入第一贮气瓶(1)、第三端设置压强传感器(5)，所述压强传感器(5)通过导线(19)与数据测量与处理系统(6)相连接；第二三端口玻璃导管(15)的另一端穿过第一瓶塞(7)插入第一贮气瓶(1)、第三端设置第五旋塞式气阀(13)。

2.根据权利要求1所述的一种气体比热容比的测定装置，其特征在于所述的数据测量与处理系统(6)为单片机系统，包含数据测量、运算处理、记录和显示模块，其中测量模块的输入端接压强传感器(5)的输出端，测量模块、记录模块的输出端分别接运算处理模块的输入端，运算处理模块的输出端接显示模块的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种气体比热容比的测定装置，其特征在于所述压强传感器(5)的型号为MS5540B。

4.一种基于权利要求1所述的一种气体比热容比的测定装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

a、在测量前首先检查装置的气密性：将第二贮气瓶(2)中充满水，打开第一至第五旋塞式气阀(9、10、11、12、13)用打气球(4)向第二贮气瓶(2)中打气，若有液体进入U型管(3)中且出现了液位差，则第三旋塞式气阀(11)之前装置的气密性良好；然后关闭旋塞式气阀(9、10、12)打开旋塞式气阀(11、13)，当U型管(3)中的液位变化即一端液位上升、另一端下降，则所述测定装置气密性良好，否则所述测定装置气密性不良，检查装置直至所述测定装置气密性良好；

b、启动数据测量与处理系统(6)，打开六个旋塞式气阀(9、10、11、12、13、21)使得所述测定装置中各处的大气压强与第一贮气瓶(1)外的压强相等为P_o；关闭旋塞式气阀(11、13、21)，打开气阀((9、10、12)，通过打气球(4)向所述测定装置中充气，充满水的贮气瓶2中的水流向U型管(3)，将U型管(3)中的气体压入第一贮气瓶(1)中，待液位稳定后，此时U型管(3)中液体的体积即为压入第一贮气瓶(1)中气体的体积v₁，已知第一贮气瓶(1)的容积为V_o，采用压强传感器(5)检测得到此时第一贮气瓶(1)内的压强值P₁，则此时第一贮气瓶(1)内的气体状态为I(P₁，V₁)，V₁＝V_o+v₁，P₁V₁ ^γ＝C，C为常数，其中V₁为第一贮气瓶(1)内的气体状态为I时的体积；

c、关闭旋塞式气阀(10、12)，打开旋塞式气阀(21)，打开关闭的旋塞式气阀(11)，此时U型管(3)中另一端的液位下降v₂，采用压强传感器(5)检测得到此时第一贮气瓶(1)内的压强值P₂，此时第一贮气瓶(1)内的气体状态为II(P₂，V₂)，V₂＝V₁-v₂，P₂V₂ ^γ＝C，C为常数，带入有气体的绝热方程P₁V₁ ^γ＝P₂V₂ ^γ计算出气体比热容比：其中V₂为第一贮气瓶(1)内的气体状态为II时的体积。

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