空气比热容测定

实验 02new气体比热容比的测定气体的比热容比 （也称绝热指数）在许多热力学过程特别是绝热过程是物质的一个很重要热力学参量。实验目的1、学习测定空气比热容比的方法;2、熟练掌握物理天平和螺旋测微器的使用方法;3、熟练掌握直接测量值和间接测量值不确定度的计算。实验原理气体的定压比热容Cp 与定容比热容CV 之比=Cp/CV ，在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数，测定的方法有好多种。 本实验是通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算值。实验基本装置如图1 所示，振动物体小球的直径比玻璃管直径仅小 0.010.02mm。它能在此精密的玻璃管中上下移动，在瓶子的壁上有一小口，并插入一根细管，通过它各种气体可以注入到储气瓶II 中。钢球 A 的质量为 m，半径为 r（直径为 d），当瓶子内压PPLm gr 2 ，式中 PL 为力 P 满足下面条件时，钢球 A 处于力平衡状态，这时大气压强。为了补偿由于空气阻尼引起振动物体A 振幅的衰减，通过 C 管一直注入一个小气压的气流， 在精密玻璃管 B 的中央开设有一个小孔。 当振动物体 A处于小孔下方的半个振动周期时，注入气体使储气瓶II的内压力增大，引起物体 A 向上移动，而当物体A 处于小孔上方的半个振动周期时，容器内的气体将通过小孔流出，使物体下沉。以后重复上述过程， 只要适当控制注入气体的流量，物体 A 能在玻璃管 B 的小孔上下作简谐振动，振动周期可利用光电计时装置来测得。若物体偏离平衡位置一个较小距离x，则容器内的压力变化dp，物体的运动方程为：md 2 xr2dpdt2（ 1）因为物体振动过程相当快，所以可以看作绝热过程，绝热方程P V r常数（ 2）将（ 2）式求导数得出：dppdVV，dVr 2 x（ 3）将（ 3）式代入（ 1）式得：d 2 x2 r 4pd tx 0m V此式即为熟知的简谐振动方程，它的解为：2r 4p2m VT4 mV64 mV64 mVNT 2pr 42pd 4t 2p dtN(4)24式中各量均可方便测得，因而可算出值。由气体运动论可以知道，值与气体分子的自由度i 有关，对单原子气体（如氩气）只有三个平均自由度，双原子气体（如氢气）除上述 3 个平均自由度外还有2 个转动自由度。对多原子气体，i2则具有 3 个转动自由度，比热容比与自由度 i 的关系为i。根据理论公式可以得到下面的结论，该数据与测试环境温度无关。单原子气体（ Ar ， He ）双原子气体（N2 ，H2 ，O2 ）多原子气体（CO2 ， CH 4 ）i31.67i51.40i61.33本实验装置主要由玻璃制成，而且对玻璃管（钢球简谐振动腔）的要求特别高，振动物体不锈钢球的直径为14.00mm，仅比玻璃管内径小0.01mm 左右，玻璃管内壁有灰尘微粒都可能引起不锈钢球不能正常振动，因此振动物体（不锈钢球）表面不允许擦伤， 管内必须保持洁净。 不锈钢球静止时停留在玻璃管的下方（用弹簧托住）。若要将其取出，只需在它振动时，用手指将玻璃管壁上的小孔堵住，稍稍加大气体流量不锈钢球便会上浮到管子上方开口处，用手可以方便地取出，也可以将玻璃管从储气瓶II 上取下，将不锈钢球倒出来。振动周期采用可预置测量次数的数字计时仪，采用重复多次测量。振动物体直径采用螺旋测微计测出，质量用物理天平称量，储气瓶II 容积由实验室给出，大气压力由气压表自行读出，并换算成国际单位制Pa (N/m 2)。(注： 760mmHg=1.01325× 105N/m 2)。实验仪器FB212 型气体比热容比测定仪一套。其结构和连接方式见图2：实验内容一实验仪器的调整1将气泵、储气瓶用橡皮管连接好，装有钢球的玻璃管插入球形储气瓶II 。将气泵的供电电源插座与FB213 型数显计数计时毫秒仪相连。将光电接收装置利用方形连接块固定在立杆上， 固定位置于空芯玻璃管的小孔附近。光电接收装置与毫秒仪连接。 本实验仪提供的气泵是二路独立的，一般情况下， 只需要采用单通道供气，（注意，另一路敞开，不能堵住） 。在碰到一路气量不足时，可以用三通把二路气泵出口并联使用，但此时要注意把气泵的调节开关逆时针调小一些，避免气压太大把钢球冲出。2接通 FB213 型数显计数计时毫秒仪的电源，气泵开始工作，缓慢调节气泵上的调节旋钮， 数分钟后，待储气瓶内注入一定压力的气体后，玻璃管中的钢球浮起离开弹簧， 向管子上方移动， 此时适当调节进气的大小，使钢球在玻璃管中以小孔为中心上下振动，即维持简谐振动状态。二振动周期测量预置 FB213 型数显计数计时毫秒仪的测量次数为50 次，设置计数次数时，可分别按“置数”键的十位或个位按钮进行调节，设置完成后自动保持设置值。在不锈钢球正常振动的情况下，按“执行”键，毫秒仪即开始计时，每计量一个周期，周期显示数值逐1 递减 ，直到递减为0 时，计时结束，毫秒仪显示出累计 50 个周期的时间。重复以上测量6 次，将数据记录到表1 中。三钢球直径与质量测量将钢球取出： 在钢球振动时， 取下装有钢球的玻璃管上端的黑色护套。把右手放在装有钢球的玻璃管上端；左手稍稍加大气体流量后， 将其手指堵住玻璃管壁上的小孔，不锈钢球便会上浮到管子上方开口处， 用右手可以方便地取出钢球，也可以将玻璃管从储气瓶II 上取下，将不锈钢球倒出来。用螺旋测微计和物理天平分别测出钢球的直径d 和质量 m，其中直径重复测量 6 次，质量单次测量。注意：1、装有钢球的玻璃管上端有一黑色护套，防止实验时气流过大时，导致钢球冲出。如需测钢球的质量可先拔出护套，取出钢球，待测量完毕，钢球放入后，重新装好护套。本实验另配了一个金属球，可以以此代替玻璃管中的金属球。2、本实验仪器容器的容积由制造厂提供，标注在每台仪器上。数据与处理1、钢球振动周期 T：表 1设置测量周期个数 N=周期的不确定度：次数平均值123456T (s)项目N 周期时间 t (s)振动周期 T (s)2、钢珠质量、直径表 2mm直径最小分度： 0.005mm次数123项目直径 d( 10-3m)质量m( 10-3Kg)3 、仪器容积及环境大气压mmHg千分尺零点读数：45平均平均修6值正值最小分度仪器容积：2500ml环境大气压：4、在忽略储气瓶体积V 和气压 P 测量不确定度的情况下评估空气的不确定度。5、数据处理：实验结果