实验2气体比热容比的测定.doc

气体比热容比的测定实验讲义
(FB2l2型气体比热容比测定仪)
杭州精科仪器有限公司
FB212型气体比热容比测定仪装箱清单
型号规格单位数量备注FB213型数显计
时计数毫秒仪台1测试架台1含光电门总成
储气瓶固定杆总成圆柱形储气瓶只1含橡皮塞1只
空芯钢管2支球形储气瓶只1含长玻璃管，内装弹簧、不
锈钢珠皮管根2内径6mm，L=50cmACO一9602气泵只1橡胶垫块2电源线根1实验讲义
(说明书)本1比热容是物质的重要参量，在研究物质结构、确定相变、鉴定物质纯度等方面起着重要的作用。本实验将介绍一种较新颖的测量气体比热容的方法。
【实验目的】
测定空气分子的定压比热容与定容比热容之比γ值。
【实验原理】
气体的定压比热容Cp与定容比热容Cv之比γ=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。这里介绍一种较新颖的方法，通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算γ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0.01~0.02mm,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)，当瓶子内压力P满足下面条件时，钢球A处于力平衡状态，这时，式中PL为大气压强。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：
(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
(2)
将(2)式求导数得出：
(3)
将(3)式代入(1)式得：

此式即为熟知的简谐振动方程，它的解为：

(4)
式中各量均可方便测得，因而可算出γ值。由气体运动论可以知道，γ值与气体分子的自由度有关，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，则具有3个转动自由度，比热容比γ与自由度f的关系为。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)f=3r=1.67
双原子气体(N2，H2，02)f=5r=1.40
多原子气体(C02，CH4)f=6r=1.33
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0．0lmm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()。注：(760mmHg=1．013×105)。
【实验仪器】
FB212型气体比热容比测定仪一套。其缔构和连接方式见图2：

说明：
1.周期数设置；
2.周期数显示；
3.复位及执行键；
4.计时显示；
5．空压机；
6.储气瓶I；
7．光电门；
8．钢球简谐振动腔；
9．不锈钢球：
10．小弹簧；
11.储气瓶II；
12．仪器底座；
13．气压调节器：

【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。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。当气泵的压力足够大时，
为避免气压太大把钢球冲出，气泵出口的三通可暂时不用，采用单通道供气。
2．接通气泵电源，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
接通FB213型数显计数计时毫秒仪的电源，把光电接收装置与毫秒仪连接。合上毫秒仪电源开关，预置测量次数为50次(N次)(可根据实验需要从1～99次任意设置)，设置计数次数时，可分别按“置数”键的