CN105717159A - 用于测定气体比热容比的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测定气体比热容比的装置，包括重物盘(2)、活塞套筒(3)、活塞(5)、气瓶(9)，活塞套筒(3)竖向设置且筒壁上标有容积刻度线，活塞(5)设置在活塞套筒(3)中，重物盘用于放置砝码(1)，重物盘(2)固定设置在活塞上部，气瓶的瓶口设置有双孔塞(8)，双孔塞(8)的其中一个孔通过导气管(7)与活塞套筒的下腔连通，双孔塞的另一个孔通过气管连接有排气阀门(6)。本发明还公开了一种采用上述装置测定气体比热容比的方法。本发明装置结构简单，成本很低，本发明方法利用气体压缩前后的压强和体积变化，就可以很方便的测量气体的比热容比，测量方法原理简单，需要测量的物理量少，且测量结果较准确。

Description

用于测定气体比热容比的方法及装置

技术领域

本发明属于气体特性测量的技术领域，具体涉及一种用于测定气体比热容比的方法及装置。

背景技术

气体的比热容比是指气体的定压比热容与定容比热容的比值，在热力学理论和工程技术应用中它是一个很重要的基本物理量。测量气体的热容比实验也是大学物理实验的基本实验之一，常用的测量方法一般有两种：绝热膨胀法和小球振动法。在这些方法中，通常都要采用压力传感器或温度传感器测量气体的压强变化或温度变化，甚至还需要用到光电传感器等先进的实验手段，设备和测量原理都相对复杂。

现有的测量比热容比实验装置结构复杂，成本较高。此外，测量原理相对复杂，涉及的技术手段多，需要测量的物理量多，操作和学习者理解困难。

上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种用于测定气体比热容比的方法及装置，其装置结构简单，成本很低，测量方法原理简单，易于操作。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种用于测定气体比热容比的装置，包括重物盘、活塞套筒、活塞、气瓶，所述活塞套筒竖向设置且筒壁上标有容积刻度线，所述活塞设置在活塞套筒中，所述重物盘用于放置砝码，重物盘固定设置在活塞上部，所述气瓶的瓶口设置有双孔塞，双孔塞的其中一个孔通过导气管与活塞套筒的下腔连通，双孔塞的另一个孔通过气管连接有排气阀门。

其中，还包括底座，底座上设置有竖向的支撑杆，支撑杆上部设置有固定夹，固定夹夹持所述活塞套筒，所述气瓶放置在所述底座上。

其中，所述气瓶与所述底座之间设置有软木垫。

其中，所述气瓶接有气压表。

一种采用上所述装置测定气体比热容比的方法，包括如下步骤：

S1、关闭排气阀门，活塞套筒的下腔与气瓶形成封闭空间并充满待测定比热容比的气体；

S2、用很小的力略微下压重物盘后使之自然停住，此时气瓶内的气压略大于外界，打开排气阀门，气瓶内的少量气体通过排气阀门释放出来，直至气瓶内的气压与大气压相等，关闭排气阀门，此时，装置内气体的体积和压强分别为V₀和P₀；

S3、在重物盘中放置砝码，装置内气体被压缩，活塞下降达到新的平衡，装置内的气体体积减小量ΔV从活塞套筒上的容积刻度线直接读出，根据活塞在砝码的压力、重力、摩擦力、内外气体的压力作用下平衡，由此可算出装置内气体的压强为：

P₁＝P₀+mg/s(1)

(1)式中P0为大气压强，m为砝码的质量，s为活塞的横截面积，由于压缩到平衡的时间较短，改过程可视为绝热过程，满足：

P₀V₀ ^γ＝P₁V₁ ^γ＝(P₀+mg/s)·(V₀-ΔV)^γ(2)

(2)式中的γ为气体的比热容比；

由(2)式可得：

$\mathrm{\γ}=\frac{\lg (P_0/(P_0+mg/s\left)\right)}{\lg \left(\right(V-\mathrm{\Δ}V)/V)}---\left(3\right)$

改变砝码的质量m，可以得到不同的ΔV，可以计算出气体的比热容比γ及误差。

本发明的有益效果：本发明装置结构简单，成本很低，本发明方法利用气体压缩前后的压强和体积变化，就可以很方便的测量气体的比热容比，测量方法原理简单，需要测量的物理量少，且测量结果较准确。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是用于测定气体比热容比的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明所述的用于测定气体比热容比的装置包括重物盘2、活塞套筒3、活塞5、气瓶9，底座12，所述活塞套筒3竖向设置且筒壁上标有容积刻度线，所述活塞5设置在活塞套筒3中，底座12上设置有竖向的支撑杆10，支撑杆10上部设置有固定夹4，固定夹4夹持所述活塞套筒3，所述气瓶9放置在所述底座12上，所述气瓶9与所述底座12之间设置有软木垫11。所述重物盘2固定设置在活塞5上部，重物盘2用于放置砝码1，所述气瓶9的瓶口设置有双孔塞8，双孔塞8的其中一个孔通过导气管7与活塞套筒3的下腔连通，双孔塞8的另一个孔通过气管连接有排气阀门6。所述气瓶9接有气压表，通过气压表也可直接读出气瓶9的压强。通过适当设计可使活塞5与重物盘2的重力和与活塞5和活塞套筒3之间的滑动摩擦力基本相等。

本发明装置用于测定气体比热容比时，活塞套筒3通过导气管7和双孔塞8与气瓶9连通，与排气阀门6一起形成封闭空间充满某种气体后，用很小的力略微下压重物盘2后使之自然停住，此时气瓶9内的气压略大于外界；打开排气阀门6，气瓶9内的气体会有少量通过排气阀门6释放出来，气瓶9内的气压与大气压相等，但活塞5并不会下滑(因活塞5与活塞套筒3之间的静摩擦力略大于活塞5和重物盘2之间的重力)。关上排气阀门6，此时，装置内气体的体积和压强分别为V₀和P₀。

在重物盘2中放置砝码1，系统内的气体被压缩，活塞5下降，并很快达到新的平衡。活塞5移动使装置内气体体积减小，减小量ΔV可从活塞套筒3上的刻度直接读出。活塞5在砝码1的压力、重力、摩擦力、内外气体的压力作用下平衡，由此可算出装置内气体的压强为：

P₁＝P₀+mg/s(1)

(1)式中P0为大气压强，m为砝码1的质量，s为活塞5的横截面积。由于压缩到平衡的时间较短，改过程可视为绝热过程，满足：

P₀V₀ ^γ＝P₁V₁ ^γ＝(P₀+mg/s)·(V₀-ΔV)^γ(2)

(2)式中的γ为气体的比热容比。

由(2)式可得：

$\mathrm{\γ}=\frac{\lg (P_0/(P_0+mg/s\left)\right)}{\lg \left(\right(V-\mathrm{\Δ}V)/V)}---\left(3\right)$

改变砝码1的质量m，可以得到不同的ΔV，可以计算出气体的比热容比γ及误差。

本发明测定气体比热容比的具体实施例如下：

采用50ml的注射器作为活塞和活塞套筒，活塞套筒的内径为3.50cm，套筒上有容积刻度，最小分度为2ml。重物盘为设置在活塞手柄上方的圆形胶板，适当的改变圆形胶板的厚度，使活塞套筒在竖直放置时，活塞刚好可与套筒相对静止，在很小的冲击压力(小于0.03牛顿)作用下，活塞就可匀速下滑。此时，活塞和重物盘的重力略小于活塞和活塞套筒之间的最大静摩擦力，与活塞和活塞套筒之间的滑动摩擦力几乎相等。

装置安装好后，当活塞停在50ml刻度线上时，活塞套筒下腔、气瓶和排气阀门形成的封闭空间为350ml。在此密闭空间中充入待测气体(二氧化碳或氦气)，充至活塞停在50ml刻度线的上方(一般在50ml和60ml刻度线之间)。打开排气阀门，轻推活塞，使之下降到50ml刻度线上，而后关闭排气阀门。此时，封闭空间内气体的体积为350ml，气体的压强与大气压强相等。

在重物盘上方置砝码，活塞在砝码的压力作用下向下运动，气体被压缩，气体体积的减小可从套筒的刻度直接读出。实测的数据表见表一。

表一使用该装置实测的两种气体的热容比数据表

从表格可得到：在室温条件下，CO₂气体的比热容比为γ_CO2＝1.285±0.008；He气体的比热容比为γ_He＝1.616±0.008。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于测定气体比热容比的装置，其特征在于：包括重物盘(2)、活塞套筒(3)、活塞(5)、气瓶(9)，所述活塞套筒(3)竖向设置且筒壁上标有容积刻度线，所述活塞(5)设置在活塞套筒(3)中，所述重物盘(2)用于放置砝码(1)，重物盘(2)固定设置在活塞(5)上部，所述气瓶(9)的瓶口设置有双孔塞(8)，双孔塞(8)的其中一个孔通过导气管(7)与活塞套筒(3)的下腔连通，双孔塞(8)的另一个孔通过气管连接有排气阀门(6)。

2.根据权利要求1所述的用于测定气体比热容比的装置，其特征在于：还包括底座(12)，底座(12)上设置有竖向的支撑杆(10)，支撑杆(10)上部设置有固定夹(4)，固定夹(4)夹持所述活塞套筒(3)，所述气瓶(9)放置在所述底座(12)上。

3.根据权利要求2所述的用于测定气体比热容比的装置，其特征在于：所述气瓶(9)与所述底座(12)之间设置有软木垫(11)。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于测定气体比热容比的装置，其特征在于：所述气瓶(9)接有气压表。

5.一种采用权利要求1至4中任一项的装置测定气体比热容比的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、关闭排气阀门(6)，活塞套筒(3)的下腔与气瓶(9)形成封闭空间并充满待测定比热容比的气体；

S2、用很小的力略微下压重物盘(2)后使之自然停住，此时气瓶(9)内的气压略大于外界，打开排气阀门(6)，气瓶(9)内的少量气体通过排气阀门(6)释放出来，直至气瓶(9)内的气压与大气压相等，关闭排气阀门(6)，此时，装置内气体的体积和压强分别为V₀和P₀；

S3、在重物盘(2)中放置砝码(1)，装置内气体被压缩，活塞(5)下降达到新的平衡，装置内的气体体积减小量ΔV从活塞套筒(3)上的容积刻度线直接读出，根据活塞(5)在砝码(1)的压力、重力、摩擦力、内外气体的压力作用下平衡，由此可算出装置内气体的压强为：

P₁＝P₀+mg/s(1)

(1)式中P0为大气压强，m为砝码(1)的质量，s为活塞(5)的横截面积，由于压缩到平衡的时间较短，改过程可视为绝热过程，满足：

$P_0{V}_0^{\mathrm{\γ}}=P_1{V}_1^{\mathrm{\γ}}=(P_0+mg/s)\·{(V_0-\mathrm{\Δ}V)}^{\mathrm{\γ}}---\left(2\right)$

(2)式中的γ为气体的比热容比；

由(2)式可得：

$\mathrm{\γ}=\frac{\lg (P_0/(P_0+mg/s))}{\lg \left(\right(V-\mathrm{\Δ}V)/V)}---\left(3\right)$

改变砝码(1)的质量m，可以得到不同的ΔV，可以计算出气体的比热容比γ及误差。