氣體比熱容比的測定.doc

實(shí)驗(yàn)02new 氣體比熱容比的測定氣體的比熱容比g（也稱絕熱指數(shù)）在許多熱力學(xué)過程特別是絕熱過程是物質(zhì)的一個(gè)很重要熱力學(xué)參量。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)測定空氣比熱容比的方法;2、熟練掌握物理天平和螺旋測微器的使用方法;3、熟練掌握直接測量值和間接測量值不確定度的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)原理氣體的定壓比熱容Cp與定容比熱容CV之比g=Cp/CV，在熱力學(xué)過程特別是絕熱過程中是一個(gè)很重要的參數(shù)，測定的方法有好多種。本實(shí)驗(yàn)是通過測定物體在特定容器中的振動(dòng)周期來計(jì)算g值。實(shí)驗(yàn)基本裝置如圖1所示，振動(dòng)物體小球的直徑比玻璃管直徑僅小0.010.02mm。它能在此精密的玻璃管中上下移動(dòng)，在瓶子的壁上有一小口，并插入一根細(xì)管，通過它各種氣體可以注入到儲氣瓶II中。鋼球A的質(zhì)量為m，半徑為r（直徑為d），當(dāng)瓶子內(nèi)壓力P滿足下面條件時(shí)，鋼球A處于力平衡狀態(tài)，這時(shí)，式中PL 為大氣壓強(qiáng)。為了補(bǔ)償由于空氣阻尼引起振動(dòng)物體A振幅的衰減，通過C管一直注入一個(gè)小氣壓的氣流，在精密玻璃管B的中央開設(shè)有一個(gè)小孔。當(dāng)振動(dòng)物體A處于小孔下方的半個(gè)振動(dòng)周期時(shí)，注入氣體使儲氣瓶II的內(nèi)壓力增大，引起物體A向上移動(dòng)，而當(dāng)物體A處于小孔上方的半個(gè)振動(dòng)周期時(shí)，容器內(nèi)的氣體將通過小孔流出，使物體下沉。以后重復(fù)上述過程，只要適當(dāng)控制注入氣體的流量，物體A能在玻璃管B的小孔上下作簡諧振動(dòng)，振動(dòng)周期可利用光電計(jì)時(shí)裝置來測得。若物體偏離平衡位置一個(gè)較小距離x，則容器內(nèi)的壓力變化dp，物體的運(yùn)動(dòng)方程為： （1）因?yàn)槲矬w振動(dòng)過程相當(dāng)快，所以可以看作絕熱過程，絕熱方程 （2）將（2）式求導(dǎo)數(shù)得出： ， （3）將（3）式代入（1）式得： 此式即為熟知的簡諧振動(dòng)方程，它的解為： (4)式中各量均可方便測得，因而可算出g值。由氣體運(yùn)動(dòng)論可以知道，g值與氣體分子的自由度i有關(guān)，對單原子氣體（如氬氣）只有三個(gè)平均自由度，雙原子氣體（如氫氣）除上述3個(gè)平均自由度外還有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。對多原子氣體，則具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，比熱容比g與自由度i的關(guān)系為。 根據(jù)理論公式可以得到下面的結(jié)論 ，該數(shù)據(jù)與測試環(huán)境溫度無關(guān)。單原子氣體（，） 雙原子氣體（，） 多原子氣體（，） 本實(shí)驗(yàn)裝置主要由玻璃制成，而且對玻璃管（鋼球簡諧振動(dòng)腔）的要求特別高，振動(dòng)物體不銹鋼球的直徑為14.00mm，僅比玻璃管內(nèi)徑小0.01mm左右，玻璃管內(nèi)壁有灰塵微粒都可能引起不銹鋼球不能正常振動(dòng)，因此振動(dòng)物體（不銹鋼球）表面不允許擦傷，管內(nèi)必須保持潔凈。不銹鋼球靜止時(shí)停留在玻璃管的下方（用彈簧托?。?。若要將其取出，只需在它振動(dòng)時(shí)，用手指將玻璃管壁上的小孔堵住，稍稍加大氣體流量不銹鋼球便會上浮到管子上方開口處，用手可以方便地取出，也可以將玻璃管從儲氣瓶II上取下，將不銹鋼球倒出來。振動(dòng)周期采用可預(yù)置測量次數(shù)的數(shù)字計(jì)時(shí)儀，采用重復(fù)多次測量。振動(dòng)物體直徑采用螺旋測微計(jì)測出，質(zhì)量用物理天平稱量，儲氣瓶II容積由實(shí)驗(yàn)室給出，大氣壓力由氣壓表自行讀出，并換算成國際單位制Pa (N/m2)。(注：760mmHg =1.01325105N/m2)。實(shí)驗(yàn)儀器FB212型氣體比熱容比測定儀一套。其結(jié)構(gòu)和連接方式見圖2：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)整1將氣泵、儲氣瓶用橡皮管連接好，裝有鋼球的玻璃管插入球形儲氣瓶II。將氣泵的供電電源插座與FB213型數(shù)顯計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒儀相連。將光電接收裝置利用方形連接塊固定在立桿上，固定位置于空芯玻璃管的小孔附近。光電接收裝置與毫秒儀連接。本實(shí)驗(yàn)儀提供的氣泵是二路獨(dú)立的，一般情況下，只需要采用單通道供氣，（注意，另一路敞開，不能堵?。?。在碰到一路氣量不足時(shí)，可以用三通把二路氣泵出口并聯(lián)使用，但此時(shí)要注意把氣泵的調(diào)節(jié)開關(guān)逆時(shí)針調(diào)小一些，避免氣壓太大把鋼球沖出。2接通FB213型數(shù)顯計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒儀的電源，氣泵開始工作，緩慢調(diào)節(jié)氣泵上的調(diào)節(jié)旋鈕，數(shù)分鐘后，待儲氣瓶內(nèi)注入一定壓力的氣體后，玻璃管中的鋼球浮起離開彈簧，向管子上方移動(dòng)，此時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣的大小，使鋼球在玻璃管中以小孔為中心上下振動(dòng)，即維持簡諧振動(dòng)狀態(tài)。二振動(dòng)周期測量預(yù)置FB213型數(shù)顯計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒儀的測量次數(shù)為50次，設(shè)置計(jì)數(shù)次數(shù)時(shí)，可分別按“置數(shù)”鍵的十位或個(gè)位按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置完成后自動(dòng)保持設(shè)置值。在不銹鋼球正常振動(dòng)的情況下，按“執(zhí)行”鍵，毫秒儀即開始計(jì)時(shí)，每計(jì)量一個(gè)周期，周期顯示數(shù)值逐1遞減 ，直到遞減為0時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束，毫秒儀顯示出累計(jì)50個(gè)周期的時(shí)間。重復(fù)以上測量6次，將數(shù)據(jù)記錄到表1中。三鋼球直徑與質(zhì)量測量 將鋼球取出：在鋼球振動(dòng)時(shí)，取下裝有鋼球的玻璃管上端的黑色護(hù)套。把右手放在裝有鋼球的玻璃管上端；左手稍稍加大氣體流量后，將其手指堵住玻璃管壁上的小孔，不銹鋼球便會上浮到管子上方開口處，用右手可以方便地取出鋼球，也可以將玻璃管從儲氣瓶II上取下，將不銹鋼球倒出來。用螺旋測微計(jì)和物理天平分別測出鋼球的直徑d和質(zhì)量m，其中直徑重復(fù)測量6次，質(zhì)量單次測量。注意：1、裝有鋼球的玻璃管上端有一黑色護(hù)套，防止實(shí)驗(yàn)時(shí)氣流過大時(shí)，導(dǎo)致鋼球沖出。如需測鋼球的質(zhì)量可先拔出護(hù)套，取出鋼球，待測量完畢，鋼球放入后，重新裝好護(hù)套。本實(shí)驗(yàn)另配了一個(gè)金屬球，可以以此代替玻璃管中的金屬球。2、本實(shí)驗(yàn)儀器容器的容積由制造廠提供，標(biāo)注在每臺儀器上。數(shù)據(jù)與處理1、鋼球振動(dòng)周期T：表1 設(shè)置測量周期個(gè)數(shù)N= 周期的不確定度： 次數(shù)項(xiàng)目123456平均值(s)N周期時(shí)間t (s) 振動(dòng)周期T (s)2、鋼珠質(zhì)量、直徑表2 千分尺零點(diǎn)讀數(shù)： mm 直徑最小分度：0.005mm 次數(shù)項(xiàng)目1234