CN209401200U - 一种理想气体多方过程实验仪 - Google Patents

Abstract

一种理想气体多方过程实验仪，包括活塞装置、空气容器、气体压力传感器、放大器、数字示波器和计算机；所述活塞装置的外壁上标有容积刻度，所述活塞装置安装于所述空气容器的顶部且与所述空气容器连通，所述空气容器的一侧设有用于使空气容器内外气体压强一致的第一阀门，所述空气容器底部设有一气体压力传感器，所述气体压力传感器的输出端与所述放大器的输入端电连接，所述放大器的输出端与所述数字示波器电连接，所述数字示波器与所述计算机电连接。该仪器采用气体压力传感器采集空气容器内的气体压力信号，最后在数字示波器上显示随气体压强变化的电压波动图像，并通过计算机进行测量控制。

Description

一种理想气体多方过程实验仪

技术领域

本实用新型涉及实验仪器领域，具体涉及一种理想气体多方过程实验仪。

背景技术

多方过程是指理想气体的状态参量满足PVⁿ＝C的过程，式中P、V分别为压强和体积；n是常量，称为多方指数，C表示恒量。理想气体多方过程研究有着十分重要的使用价值，诸如热力学工程中的多数生产进程均在大气环境中进行，分析可知都属于理想气体多方过程，确定气体多方过程公式PVⁿ＝C中的指数n有很强的实用意义，尤其是绝热时的指数n，叫做空气比热容比γ，γ的定义为用气体的定压比热容C_P比上气体的定容比热容C_V。等温过程中指数n＝1，绝热过程中空气的γ＝1.40。γ的测量是热力学中的一个重要的实验，现有的测量方法采用人工操作，实验结果随机误差较大，且测量过程费时费力，同时对理想气体多方过程的观测过程不够直观，用于教学研究过程效果差、实用性不高。

因此，如何提供一种测量结果准确、可观测性强且实用性高的理想气体多方过程实验仪，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种测量结果准确、可观测性强且实用性高的理想气体多方过程实验仪。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种理想气体多方过程实验仪，包括活塞装置、空气容器、气体压力传感器、放大器、数字示波器和计算机；所述活塞装置的外壁上标有容积刻度，所述活塞装置安装于所述空气容器的顶部且与所述空气容器连通，所述空气容器的一侧设有用于使空气容器内外气体压强一致的第一阀门，所述空气容器底部设有一气体压力传感器，所述气体压力传感器的输出端与所述放大器的输入端电连接，所述放大器的输出端与所述数字示波器电连接，所述数字示波器与所述计算机电连接。

本实用新型的有益效果是：采用气体压力传感器采集空气容器内的气体压力信号，并通过模数转换将压力信号转换为电信号，利用放大器将电信号放大，最后在数字示波器上显示随气体压强变化的电压波动图像，并通过计算机进行测量控制，从而达到数值采集过程精准可靠、实验简便的效果。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述空气容器的一侧设有指针式标准压力表，所述指针式压力表通过第二阀门与所述空气容器的一侧连接。与指针式标准压力表相连的第二阀门在测量气体压力传感器的输出特性时开通，在做气体多方过程实验时关闭。

进一步，所述活塞装置可以是注射器。

本实用新型还提供了一种应用上述理想气体多方过程实验仪测量空气容器的容积和气体普适常数的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：打开第一阀门，使容器内空气与外界大气相通，将活塞装置的活塞拉至50mL处，调节数字示波器上的调零旋钮，使数字示波器的示为零；

步骤2：关闭第一阀门，将活塞匀速缓慢推至40mL刻度线处，静置，直至空气容器内气体与外界大气处于热平衡时，记录数字示波器上的电压值；

步骤3：按照步骤1和步骤2的操作顺序，分别测量出活塞装置的活塞处于30mL、20mL和10mL刻度线处时，数字示波器上的电压值；

步骤4：记录活塞处于不同位置时的气体体积变化量V_i，其中V₁＝40mL、V₂＝30mL、V₃＝20mL、V₄＝10mL和V₅＝0mL；

步骤5：依次测量V₀+V_i及相应压强值P_i，共5组数据，即V₀+V₁，P₁；V₀+V₂,P₂；V₀+V₃,P₃；V₀+V₄,P₄；V₀+V₅,P₅；

步骤6：作直线图,求出斜率C和截距V₀；

步骤7：利用测得的常数C和空气容器的容积V₀求气体普适常数R,计算公式为：

其中，R为气体普适常数，C为常数，M为空气的等效摩尔质量；T为气体的温度；V₀为空气容器的容积，V_i为修正后的气体体积变化量，ρ为空气密度。

本实用新型还提供了一种应用上述理想气体多方过程实验仪测量理想气体比热容比的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将活塞装置的活塞拉至刻度线V_i处，然后关闭第一阀门；

步骤2：先保持数字示波器的状态为扫描状态，此时数字示波器显示的电压值为0mV；

步骤3：迅速推动活塞装置的活塞至底部，并待到数字示波器上显示出电压的最大值后切换数字示波器的状态为停止扫描状态；

步骤4：在计算机上点击连接按钮，连接数字示波器，此时数字示波器上显示的图像呈现在计算机上，保存图像及实验数据；

步骤5：记录数字示波器上的最大电压值，将最大电压值转化为气体压强值后，计算理想气体比热容比γ。

进一步，将最大电压值转化为气体压强值的转化公式为：

其中，P_i为气体压强值，ΔU_max为电压变化量，ΔU_max＝U_max-U₀。

进一步，理想气体比热容比γ的计算公式为：

其中，P₁为压缩前的气体压强，即为外界大气压，P₂为压缩后的气体压强，V₁为压缩前气体的体积，V₂为压缩后气体的体积。

本实用新型提供的上述方法利用理想气体多方过程实验仪能仔细观测热力学过程的特点，可以利用等温过程测量容器的容积和气体普适常数，通过绝热过程测量空气比热容比，测量得出的实验数据稳定可靠，实验结果准确度较高；由于整个实验过程采用数字示波器实时采集数据，并将数据传输到计算机上，可以方便存储和查看，数据充足，物理概念清晰，实验现象突出。

附图说明

图1为本实用新型一种理想气体多方过程实验仪的结构示意图；

图2为本实用新型一种应用上述理想气体多方过程实验仪的测量空气容器的容积和气体普适常数的方法的实施例中直线图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、活塞装置，2、空气容器，3、气体压力传感器，4、数字示波器，5、第一阀门，6、第二阀门，7、指针式标准压力表，8、计算机，9、放大器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种理想气体多方过程实验仪，该仪器包括活塞装置1、空气容器2、气体压力传感器3、放大器9、数字示波器4和计算机8；活塞装置1安装于空气容器2的顶部且与空气容器2连通，空气容器2的一侧设有用于使空气容器2内外气体压强一致的第一阀门5，空气容器2的底部设有一气体压力传感器3，气体压力传感器3的输出端与放大器9的输入端电连接，放大器9的输出端与数字示波器4电连接，数字示波器4与计算机8电连接。其中，放大器9两端接5V电压。

在一些实施例中，数字示波器4也可以是其他可以实现波形信号采集及显示功能的数据采集设备。

在一些实施例中，活塞装置1可以是注射器。

在一些实施例中，空气容器2的一侧设有指针式标准压力表7，指针式标准压力表7通过第二阀门6与空气容器2的一侧连接。

在一个具体的实施例中，气体压力传感器3为压敏电阻式压力传感器。本实施例中的气体压力传感器采用型号为MPS3100的压力传感器，表征其输出特性的数据参见下表1：

表1气体压力传感器的输出特性记录表

根据上表1中的数据得到气体压力传感器的线性表达式U＝201p-2，进而求得相关系数r＝0.99995，所以该压力传感器的灵敏度A＝201mV/kPa。

下面通过具体的实施例说明利用上述理想气体多方过程实验仪完成相关实验测量的方法。

实施例1

本实施例提供了一种应用上述理想气体多方过程实验仪测量空气容器的容积和气体普适常数的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：打开第一阀门，使容器内空气与外界大气相通，将活塞装置的活塞拉至50mL处，调节数字示波器上的调零旋钮，使数字示波器的示为零；

步骤2：关闭第一阀门，将活塞匀速缓慢推至40mL刻度线处，静置，直至空气容器内气体与外界大气处于热平衡时，记录数字示波器上的电压值；

步骤3：按照步骤1和步骤2的操作顺序，分别测量出活塞装置的活塞处于30mL、20mL和10mL刻度线处时，数字示波器上的电压值；

步骤4：记录活塞处于不同位置时的气体体积变化量V_i，其中V₁＝40mL、V₂＝30mL、V₃＝20mL、V₄＝10mL和V₅＝0mL；

步骤5：在初始气体参数为P₀＝100.812kpa，T＝300.15K的条件下，依次测量V₀+V_i及相应压强值P_i，共5组数据，即V₀+V₁，P₁；V₀+V₂,P₂；V₀+V₃,P₃；V₀+V₄,P₄；V₀+V₅,P₅；

数据结果参见下表2：

表2测量气体容积的实验数据记录表

步骤6：对表2的五组实验数据求平均值，整理出测量直线图的数据，数据记录于下表3中，

表3测量直线图的数据记录表

根据上表3中的数据，作直线图，直线图可参见附图2,求出斜率C和截距V₀；

根据附图2所示直线图，得到直线方程为：

所以相关系数r＝1，V₀＝937.3ml，C＝98979ml，查空气密度表ρ＝1.1673g/ml

步骤7：，利用测得的常数C和空气容器的容积V₀求气体普适常数R，计算过程为：

其中，R为气体普适常数，C为常数，M为空气的等效摩尔质量；T为气体的温度；V₀为空气容器的容积，V_i为修正后的气体体积变化量，ρ为空气密度。

在利用上述方法测量空气容器的容积和气体普适常数之前，考虑到活塞装置的刻度值不够准确，所以，采用灌水法利用电子分析天平测量活塞装置容积，以此求出刻度的修正系数k，其中V"为活塞装置活塞处于50ml位置时所充满的水的体积，其值由水的密度和质量算出，经测量活塞装置刻度的修正系数k＝0.9759。

实施例2

本实施例提供了一种应用上述理想气体多方过程实验仪测量理想气体比热容比的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将活塞装置的活塞拉至刻度线V_i处，然后关闭第一阀门；

步骤2：先保持数字示波器的状态为扫描状态，此时数字示波器显示的电压值为0mV；

步骤3：迅速推动活塞装置的活塞至底部，并待到数字示波器上显示出电压的最大值后切换数字示波器的状态为停止扫描状态；

步骤4：在计算机上点击连接按钮，连接数字示波器，此时数字示波器上显示的图像呈现在计算机上，保存图像及实验数据；

步骤5：记录数字示波器上的最大电压值，将最大电压值转化为气体压强值后，计算理想气体比热容比γ。实验数据可参见下表4：

表4 U₀＝8.00mv时测量理想气体比热容比的实验数据记录表

将最大电压值转化为气体压强值的转化公式为：

其中，P_i为气体压强值，ΔU_max为电压变化量，ΔU_max＝U_max-U₀。

理想气体比热容比γ的计算公式为：

其中，其中，P₁为压缩前的气体压强，即为外界大气压，P₂为压缩后的气体压强，V₁为压缩前气体的体积，V₂为将活塞推至底部后气体的体积。

表中P₂＝P₁+P_i。

根据表中数据及上述公式，计算可得从表中可以看出，γ值的重复性很好，偶然误差小。

通过以上实验及分析可知，由于理想气体多方过程实验仪能仔细观测热力学过程，即可以利用等温过程测量容器的容积V₀和气体普适常数R，通过绝热过程测量理想气体比热容比，测量得出的实验数据稳定可靠，实验结果准确度较高；由于整个实验过程采用数字示波器实时采集数据，并将数据传输到计算机上，可以方便存储和查看，数据充足，物理概念清晰，实验现象突出。本装置所做实验不仅可以准确测量密闭容器的容积、气体普适常数R和各种气体的比热容比，若将气体普适常数R当作已知量，还可以求出待测气体的密度；而且，本实验装置还可以研究多方过程物态方程中的指数n。在绝热压缩实验时，要求迅速推下活塞装置活塞，计算出空气比热比γ，γ的理论值为1.402。在等温过程中，要求推动活塞装置活塞十分平稳缓慢，等温过程物态方程中的指数n＝1。本装置可以通过改变压缩活塞装置活塞的速度，即快速压缩活塞装置到多次改变压缩速度直到非常缓慢压缩活塞装置活塞，通过计算得出压缩速度不同时n的大小，来比较多方过程中指数n的变化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种理想气体多方过程实验仪，其特征在于，包括活塞装置(1)、空气容器(2)、气体压力传感器(3)、放大器(9)、数字示波器(4)和计算机(8)；所述活塞装置(1)的外壁上标有容积刻度，所述活塞装置(1)安装于所述空气容器(2)的顶部且与所述空气容器(2)连通，所述空气容器(2)的一侧设有用于使空气容器(2)内外气体压强一致的第一阀门(5)，所述空气容器(2)的底部设有一气体压力传感器(3)，所述气体压力传感器(3)的输出端与所述放大器(9)的输入端电连接，所述放大器(9)的输出端与所述数字示波器(4)电连接，所述数字示波器(4)与所述计算机(8)电连接。

2.根据权利要求1所述一种理想气体多方过程实验仪，其特征在于，所述空气容器(2)的一侧设有指针式标准压力表(7)，所述指针式标准压力表(7)通过第二阀门(6)与所述空气容器(2)的一侧连接。

3.根据权利要求1所述一种理想气体多方过程实验仪，其特征在于，所述活塞装置(1)为注射器。