CN107167398A - 一种测量气体比热容比的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理学领域，涉及一种测量气体比热容比的装置及其测量方法，包括贮气瓶，贮气瓶的瓶口处设置有双孔塞，双孔塞其中一个孔连接有导气短管，导气短管的下端口位于双孔塞下方的瓶口位置处，双孔塞另一个孔连接有导气长管，导气长管的下端口贮气瓶内底部，导气短管和导气长管上均设置有阀门；贮气瓶的侧壁连通有U型管的一端，U型管内填充有水银，U型管另一端与大气相连通。本发明结构简单，成本低；测量的物理量少，只需要记录每次水银的高度变化值h₁和h₂；可以实现对不同气体的比热容比实验；通过水银两侧的液位变化，能够准确判断绝热膨胀过程的结束时间，能够及时关闭出气阀门，为实验的准确性和可靠性提供了充分保障。

Description

一种测量气体比热容比的装置及其测量方法

技术领域

本发明属于物理学领域，涉及一种物理实验装置及方法，具体涉及一种测量气体比热容比的装置及其测量方法。

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。。

现有的采用绝热膨胀法测量比热容比实验装置存在以下缺点：(1)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，成本较高。(2)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。(3)通常装置只能对空气的比热容比进行实验，无法满足其它气体的实验需求。(4)实验结果与理论值相比误差较大，主要在于无法准确判断绝热膨胀过程的结束时间，不能及时关闭出气阀门，传统实验中只能采取“听声法”这种主观差别较大的方法。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提供一种测量气体比热容比的装置及其测量方法，具有实验装置简单，成本低，测量数据少，计算方便，误差值小的特点。

本发明所述的一种测量气体比热容比的装置，其特征在于：包括贮气瓶，所述的贮气瓶的瓶口处设置有双孔塞，所述的双孔塞其中一个孔连接有导气短管，所述的导气短管的下端口位于双孔塞下方的瓶口位置处，所述的双孔塞另一个孔连接有导气长管，所述的导气长管的下端口贮气瓶内底部，所述的导气短管和导气长管上均设置有阀门；所述的贮气瓶的侧壁连通有U型管的一端，所述的U型管内填充有水银，所述的U型管另一端与大气相连通。

其中，优选方案如下：

所述的双孔塞与贮气瓶的瓶口处之间设置有密封圈，减少因气体泄漏所带来的误差影响。

所述的U型管的管身上设置有刻度值，方便直接读取数值，不用再额外使用工具测量。

所述的U型管另一端与大气相连通并设置有阀门，在装置不使用的情况下关闭该阀门，有效降低水银的危害。

本发明所述的测量气体比热容比的测量方法，其特征在于按照以下步骤进行：

(1)保持导气短管和导气长管畅通，U型管内水银的两侧压强与大气压强P₀相等且液面高度保持一致，通过其中一个管向贮气瓶中充入待测气体，则另一根管作为出气管，待瓶内完全充满后关闭另一根管，然后继续充入待测气体使得连通贮气瓶一侧的水银液面高度下降一段距离后停止通气，此时，瓶内气体达到稳定状态I(P₁、V₁、T₁)，其中，P₁＝P₀+ρgh₁，ρ为水银密度，g为常数9.8N/kg，h₁为水银两侧的液面高度差；

其中，当测量空气的比热容比时，选取导气短管或导气长管其中之一作为进气管，通过充气球向瓶内充气；当测量比空气密度小的气体的比热容比时，选取导气短管作为进气管，导气长管作为出气管，导气短管连接待测气体的气瓶向瓶内充气；当测量比空气密度大的气体的比热容比时，选取导气长管作为进气管，导气短管作为出气管，导气长管连接待测气体的气瓶向瓶内充气。

(2)迅速打开步骤(1)中的出气管，即令其绝热膨胀，使瓶内气体与大气相通，将待测气体从贮气瓶内喷出，当水银两侧液面高度一致时，即瓶内压强与外界大气压一致，立刻关闭出气管，此时，瓶内气体达到稳定状态Ⅱ(P₀、V₂、T₂)；

(3)绝热膨胀后，瓶内气体从外界吸热，经历一个等容吸热过程，直至瓶内气体达到T₁为止，此时瓶内气体压强也随之由P₀增大为P₃，此时，瓶内气体达到稳定状态Ⅲ(P₃、V₂、T₁)，其中，P₃＝P₀+ρgh₂，h₂为水银两侧的液面高度差；

(4)计算，稳定状态I至稳定状态Ⅱ的变化是绝热的，故满足泊松公式，而稳定状态Ⅲ与稳定状态I是等温的，满足玻意耳定律，P₁V₁＝P₃V₂，两式消去V₁和V₂，得由于P₀>>ρg h₁>>ρgh₂，因此， 既得γ＝ρg h₁/(ρg h₁-ρg h₂)。

本发明所具有的优点如下：(1)结构简单，器材组件现有的实验室可以轻易组装搭配，无需要任何传感器、压力表及数控设备，大大降低了成本，U型管内的水银高度变化直观可读，便于观察教学；(2)测量的物理量少，通过最终的公式推导，只需要记录每次水银的高度变化值h₁和h₂，计算方便；(3)通过对导气短管和导气长管的配合使用，可以实现对不同气体的比热容比实验，不再局限于测量空气这一单一气体；(4)实验结果与理论值相比误差小，通过水银两侧的液位变化，能够准确判断绝热膨胀过程的结束时间，能够及时关闭出气阀门，为实验的准确性和可靠性提供了充分保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中，1、贮气瓶 2、双孔塞 3、导气短管 4、导气长管 5、U型管 6、水银 7、阀门。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种测量气体比热容比的装置，包括贮气瓶1，所述的贮气瓶1的瓶口处设置有双孔塞2，所述的双孔塞2其中一个孔连接有导气短管3，所述的导气短管3的下端口位于双孔塞2下方的瓶口位置处，所述的双孔塞2另一个孔连接有导气长管4，所述的导气长管4的下端口贮气瓶1内底部，所述的导气短管3和导气长管4上均设置有阀门7；所述的贮气瓶1的侧壁连通有U型管5的一端，所述的U型管5内填充有水银6，所述的U型管5另一端与大气相连通。

所述的双孔塞2与贮气瓶1的瓶口处之间设置有密封圈，减少因气体泄漏所带来的误差影响。

所述的U型管5的管身上设置有刻度值，方便直接读取数值，不用再额外使用工具测量。

所述的U型管5另一端与大气相连通并设置有阀门7，在装置不使用的情况下关闭该阀门7，有效降低水银的危害。

实施例2：

采用实施例1所述的装置测量气体比热容比，按照以下步骤进行：

(1)保持导气短管3和导气长管4畅通，U型管5内水银6的两侧压强与大气压强P₀相等且液面高度保持一致，通过其中一个管向贮气瓶中充入待测气体，则另一根管作为出气管，待瓶内完全充满后关闭另一根管，然后继续充入待测气体使得连通贮气瓶1一侧的水银6液面高度下降一段距离后停止通气，此时，瓶内气体达到稳定状态I(P₁、V₁、T₁)，其中，P₁＝P₀+ρgh₁，ρ为水银6密度，g为常数9.8N/kg，h₁为水银6两侧的液面高度差；

其中，当测量空气的比热容比时，选取导气短管3或导气长管4其中之一作为进气管，通过充气球向瓶内充气；当测量比空气密度小的气体的比热容比时，选取导气短管3作为进气管，导气长管4作为出气管，导气短管3连接待测气体的气瓶向瓶内充气；当测量比空气密度大的气体的比热容比时，选取导气长管4作为进气管，导气短管3作为出气管，导气长管4连接待测气体的气瓶向瓶内充气。

(2)迅速打开步骤(1)中的出气管，即令其绝热膨胀，使瓶内气体与大气相通，将待测气体从贮气瓶1内喷出，当水银6两侧液面高度一致时，即瓶内压强与外界大气压一致，立刻关闭出气管，此时，瓶内气体达到稳定状态Ⅱ(P₀、V₂、T₂)；

(3)绝热膨胀后，瓶内气体从外界吸热，经历一个等容吸热过程，直至瓶内气体达到T₁为止，此时瓶内气体压强也随之由P₀增大为P₃，此时，瓶内气体达到稳定状态Ⅲ(P₃、V₂、T₁)，其中，P₃＝P₀+ρgh₂，h₂为水银6两侧的液面高度差；

(4)计算，稳定状态I至稳定状态Ⅱ的变化是绝热的，故满足泊松公式，而稳定状态Ⅲ与稳定状态I是等温的，满足玻意耳定律，P₁V₁＝P₃V₂，两式消去V₁和V₂，得由于P₀>>ρg h₁>>ρgh₂，因此， 既得γ＝ρg h₁/(ρg h₁-ρg h₂)。

实施例3：

采用实施例1的装置和实施例3的方法，测量CO₂的比热容比，具体数据如下：

	h1	h2	γ
				实验1	8cm	1.8cm	1.2903
实验2	7cm	1.6cm	1.2963
				实验3	6cm	1.4cm	1.3043

CO₂的比热容比的理论值为1.295，上述三次实验误差均小于1％，小于传统实验中的2～3％，证明该装置和方法现实可行，适宜在教学和实验中推广使用。

Claims (5)

1.一种测量气体比热容比的装置，其特征在于：包括贮气瓶，所述的贮气瓶的瓶口处设置有双孔塞，所述的双孔塞其中一个孔连接有导气短管，所述的导气短管的下端口位于双孔塞下方的瓶口位置处，所述的双孔塞另一个孔连接有导气长管，所述的导气长管的下端口贮气瓶内底部，所述的导气短管和导气长管上均设置有阀门；所述的贮气瓶的侧壁连通有U型管的一端，所述的U型管内填充有水银，所述的U型管另一端与大气相连通。

2.根据权利要求1所述的一种测量气体比热容比的装置，其特征在于：所述的双孔塞与贮气瓶的瓶口处之间设置有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种测量气体比热容比的装置，其特征在于：所述的U型管的管身上设置有刻度值。

4.根据权利要求1所述的一种测量气体比热容比的装置，其特征在于：所述的U型管另一端与大气相连通并设置有阀门。

5.一种权利要求1所述的测量气体比热容比的测量方法，其特征在于按照以下步骤进行：

(1)保持导气短管和导气长管畅通，U型管内水银的两侧压强与大气压强P₀相等且液面高度保持一致，通过其中一个管向贮气瓶中充入待测气体，则另一根管作为出气管，待瓶内完全充满后关闭另一根管，然后继续充入待测气体使得连通贮气瓶一侧的水银液面高度下降一段距离后停止通气，此时，瓶内气体达到稳定状态I(P₁、V₁、T₁)，其中，P₁＝P₀+ρg h₁，ρ为水银密度，g为常数9.8N/kg，h₁为水银两侧的液面高度差；

(2)迅速打开步骤(1)中的出气管，即令其绝热膨胀，使瓶内气体与大气相通，将待测气体从贮气瓶内喷出，当水银两侧液面高度一致时，即瓶内压强与外界大气压一致，立刻关闭出气管，此时，瓶内气体达到稳定状态Ⅱ(P₀、V₂、T₂)；

(3)绝热膨胀后，瓶内气体从外界吸热，经历一个等容吸热过程，直至瓶内气体达到T₁为止，此时瓶内气体压强也随之由P₀增大为P₃，此时，瓶内气体达到稳定状态Ⅲ(P₃、V₂、T₁)，其中，P₃＝P₀+ρgh₂，h₂为水银两侧的液面高度差；

(4)计算，稳定状态I至稳定状态Ⅱ的变化是绝热的，故满足泊松公式，而稳定状态Ⅲ与稳定状态I是等温的，满足玻意耳定律，P₁V₁＝P₃V₂，两式消去V₁和V₂，得由于P₀>>ρg h₁>>ρgh₂，因此， 既得γ＝ρg h₁/(ρg h₁-ρg h₂)。