熱學(xué)實驗2-氣體比熱容比的測定

實驗二氣體比熱容比CP/CV的測定比熱容是物性的重要參量，在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、確定相變，鑒定物質(zhì)純度等方面起著重要的作用。如熱機的效率、聲波在氣體中的傳播特性都與氣體的比熱容比有關(guān)，氣體比熱容比是指氣體的定壓比熱容與定容比熱容的比值。本實驗將介紹一種較新穎的測量氣體比熱容比的方法。【實驗?zāi)康摹?．了解氣體比熱容比的測量原理；2．學(xué)習(xí)用振動法測定空氣的定壓比熱容與定容比熱容之比?！緦嶒瀮x器】1.DH4602氣體比熱容比測定儀2.螺旋測微計3.物理天平4.氣泵【實驗原理】氣體的定壓比熱容CP與定容比熱容CV之比。在描述理想氣體的絕熱過程中是一個很重要的參數(shù)，測定的方法有好多種。本實驗采用振動法來測量，即通過測定物體在特定容器中的振動周期來計算值。實驗基本裝置如圖1所示，振動物體小球的直徑比玻璃管直徑僅小0.01~0.02mm。它能在此精密的玻璃管中上下移動，在瓶子的壁上有一小口C，通過氣泵上的一根細管相接，可以把氣體注入到燒瓶中。小鋼球A的質(zhì)量為m，半徑為r（直徑為d），當瓶子內(nèi)壓力P滿足下面條件時小鋼球A處于力平衡狀態(tài)。這時，式中P0為大氣壓力。為了補償由于空氣阻尼引起振動小剛球A振幅的衰減，通過氣體注入口C不間斷通入一個小氣壓的氣流，在精密玻璃管B的中央開設(shè)有一個小孔。當振動小剛球A處于小孔下方的半個振動周期時，通入氣體使容器的內(nèi)壓力增大，引起小剛球A向上移動，而當小剛球A處于小孔上方的半個振動周期時，容器內(nèi)的膨脹氣體將通過小孔流出，使小剛球下沉。以后重復(fù)上述過程，只要適當控制注入氣體的流量，小剛球A能在玻璃管B小孔的上下作簡諧振動，振動周期可利用光電計時裝置來測得。若小剛球偏離平衡位置一個較小距離x，則容器內(nèi)的壓力變化、體積變化，由牛頓第二運動定律小剛球的運動方程為：（1）因小剛球振動過程相當快，故可以將其看作是絕熱過程，絕熱方程（2）由（2）式求導(dǎo)得：（3）將（3）式代入（1）式得小鋼球做簡諧振動方程則角頻率為：（4）由（4）式得：(5)式中各量均可方便測得，因而可算出值。由氣體運動論可以知道，值與氣體分子的自由度數(shù)有關(guān)，對單原子氣體（如氬）只有三個平均自由度，雙原子氣體（如氫）除上述3個平均自由度外還有2個轉(zhuǎn)動自由度。對多原子氣體，則具有3個轉(zhuǎn)動自由度，比熱容比與自由度f的關(guān)系為。理論上得出：單原子氣體（Ar，He）f=3雙原子氣體（N2，H2，O2）f=5多原子氣體（CO2，CH4）f=6且與溫度無關(guān)。本實驗裝置主要由玻璃制成，且對玻璃管的要求特別高，振動小剛球的直徑僅比玻璃管內(nèi)徑小0.01mm左右，因此振動小球表面不允許擦傷，也不允許雜質(zhì)、灰塵落入應(yīng)保持清潔。平時它停留在玻璃管的下方（用彈簧托?。Ｈ粢獙⑵淙〕?，只需在它振動時，用手指將玻璃管壁上的小孔堵住，稍稍加大氣流量小剛球便會上浮到管子開口上方，就可以方便地取出，或?qū)⒋斯苡善可先∠?，將球倒出來。振動周期采用可預(yù)置測量次數(shù)的數(shù)字計時儀，采用重復(fù)多次測量。振動小剛球直徑采用螺旋測微計測出，質(zhì)量用物理天平稱量，燒瓶容積由實驗室給出，大氣壓力由氣壓表自行讀出，并換算N/m2?！緝x器操作】1．調(diào)節(jié)儀器在使用前應(yīng)可靠固定，玻璃容器應(yīng)垂直放置，以免小鋼球振動時碰到管壁，造成測量誤差。垂直度可以通過調(diào)節(jié)玻璃容器本身和底座上的三個螺釘來實現(xiàn);2．氣泵的輸出通過輸氣軟管接入玻璃容器，連接時注意不要漏氣，否則小球不能上下振動;3．光電門的輸出插頭接到計時測試儀的后面板的專用插座上;4．氣泵的電源插頭接到計時測試儀的后面板的二芯插座上，通過接通計時測試儀的前面板的氣泵電源開關(guān)，可以接通或關(guān)閉氣泵的電源;5．接好儀器的電源，打開后面板上的電源開關(guān)，儀器接通電源;6．計時測試儀的程序預(yù)置周期次數(shù)n=30（默認值），即：小球來回經(jīng)過光電門的次數(shù)為N=2n+1次。據(jù)具體要求，若要設(shè)置50次，按上調(diào)改變周期T(若無變化請按“置數(shù)”開鎖），當達到n=50時，再按“置數(shù)”鎖定;7．此時信號指示燈不停閃爍，即為計時狀態(tài)，這時數(shù)顯表顯示周期的個數(shù)。按執(zhí)行鍵開始計時當小鋼球經(jīng)過光電門的周期次數(shù)達到設(shè)定值，數(shù)顯表頭將顯示具體時間，單位“秒”。需要再執(zhí)行“50”次周期時，無須重新設(shè)置，只要按“返回”即可回到上次剛執(zhí)行的周期數(shù)“50”，再按“執(zhí)行”鍵，便可以第二次計時。當按復(fù)位或斷電再開機時，程序從頭預(yù)置30次周期，須重復(fù)上述步驟;8．本計時器的周期設(shè)定范圍0~99次。計時范圍為0~99.99s，分辨率為0.01s?！緦嶒瀮?nèi)容】1．接通電源，調(diào)節(jié)氣泵上氣量調(diào)節(jié)旋鈕，使小鋼球在玻璃管中以小孔為中心上下振動。注意，氣流過大或過小會造成小鋼球不以玻璃管上小孔為中心的上下振動，調(diào)節(jié)時需要用手當住玻璃管上方，以免氣流過大將小鋼球沖出管外造成鋼球或瓶子損壞;2．打開周期計時裝置，次數(shù)設(shè)置為50次，按下執(zhí)行按鈕后即可自動記錄振動50次周期所需的時間;3．若不計時或不停止計時，可能是光電門位置放置不正確，造成鋼球上下振動時未擋光，或者是外界光線過強，此時須適當擋光;4．重復(fù)以上步驟五次;5．用螺旋測微計和物理天平分別測出備用鋼球的直徑d和質(zhì)量m，其中直徑重復(fù)測量五次;本實驗提供的玻璃瓶的有效體積為：1450±5cm3；大氣壓85.26KPa；小球質(zhì)量約為4.00±0.02g；小球半徑約為5.00±0.01mm?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】1、空氣比熱容比測量表n=50次數(shù)123451．求小鋼球振動周期及其不確定度：平均值：A類不確定度：B類不確定度:結(jié)果