实验报告空气比热容比的测定.doc

实验名称空气比热容比的测定实验目的(1)了解绝热、等容的热力学过程及有关状态方程。(2)测定空气的比热容比。实验原理:主要原理公式及简要说明、原理图(1)热力学第一定律及定容比热容和定压比热容热力学第一定律：系统从外界吸收的热量等于系统内能的增加和系统对外做功之和。考虑在准静态情况下气体由于膨胀对外做功为所以热力学第一定律的微分形式为(1)定容比热容Cv是指1mol的理想气体在保持体积不变的情况下温度升高1K所吸收的热量。由于体积不变那么由(1)式可知这吸收的热量也就是内能的增加(dQ＝dE)所以(2)由于理想气体的内能只是温度的函数所以上述定义虽然是在等容过程中给出实际上任何过程中内能的变化都可以写成dE＝CvdT定压比热容是指1mol的理想气体在保持压强不变的情况下温度升高1K所吸收的热量。即(3)由热力学第一定律(3)式考虑在定压过就有(4)由理想气体的状态方程PV＝RT可知在定压过程中又利用代入(4)式就得到定压比热容与定容比热容的关系(5)R是气体普适常数为8.31J/mol·K引入比热容比为(6)在热力学中比热容比是一个重要的物理量它与温度无关。气体运动理论告诉我们与气体分子的自由度有关(7)例如对单原子气体(Ar、He)对双原子气体(N2、H2、O2)对多原子气体(CO2、CH4)(2)绝热过程系统如果与外界没有热交换这种过程称为绝热过程因此在绝热过程中dQ＝0。所以由热力学第一定律有或(8)由气态方程两边微分得(9)(8)、(9)两式中消去得两边除即得(10)对(10)式积分就得到绝热过程的状态方程(11)利用气态方程还可以得到绝热过程状态方程的另外两种形式：常数(12)常数(13)4．实验内容用一个大玻璃瓶作为贮气瓶。(1)实验开始时先打开放气阀B和进气阀A打开充气开关(左旋充气球阀门C)使贮气与大气相通。将仪器显示的气压差数调零(注意仪器显示的是贮气瓶内气压与大气压P0的差)。(2)然后关闭放气阀B关闭充气开关(右旋拧紧气阀C)用打气球向瓶内送气使瓶内气压上升瓶中空气的温度也上升。当瓶内气压比大气压高5～6kPa时(瓶内气压与大气压之差由比热容比测定仪上显示)关闭进气阀A。这时瓶内气温略高于环境温度因此瓶内空气与环境有热交换使瓶内的气压与温度都不稳定而是逐渐下降的。直到瓶内气温与环境温度相同时瓶内气压趋于稳定值P1这时瓶内气体处于P—V图中状态Ⅰ(P1、V1、T0)。这T0为环境温度。这时记下仪器气压差显示值P1示(瓶内气压P1＝P0＋P1示)。(3)后打开放气阀A听到放气声待放气声结束(仪器显示的气压差值为0)立即迅速关闭放气阀A这时瓶内有一部分空气从瓶内放出剩余在瓶内的空气气压下降到大气P0(仪器上显示的与大气压差为0)。由于放气过程极迅速空气又是热的不良导体因此剩在瓶内的那部分空气从状态Ⅰ(P1、V1、T0)到状态Ⅱ(P0、V2、T2)经历的过程是绝热过程(在放气过程中瓶内空气来不及与外界行热交换)。V2为贮气瓶体积V1为保留在瓶中这部分气体在状态Ⅰ(P1、T0)时的体积。(4)放气后由于瓶内气压下降使瓶内气温也下降到T2<T0因此放气后瓶内空气又从外界吸收热量而使其温度上升同时瓶内气压也上升。到瓶内温度上升到室温T0时瓶内气压趋于稳定。记下这时仪器显示的气压差值P2示(瓶内气压P2＝P0＋P2示)气体处于P—V图中状态Ⅲ(P2、V2、T0)从状态Ⅱ到状态Ⅲ的过程是等容过程。上述过程如图4-18所示我们以放气后瓶内的那部分气体作为考虑的对象这部分气体占前瓶内的大部分但不是全部。这部分气体在状态Ⅰ时压强为P1温度为T0而放气后压强降为P0(大气压)温度降为T2(<T0)Ⅰ－Ⅱ的过程是绝热过程用绝热的状态方程(4-53)式有即(14)Ⅱ到III过程是等容过程在这过程中瓶内气温又从T2升到环境温度T0气压上升到P2。根据等容过程的状态方程有(15)联合(14)、(15)式两边取对数即可解出(16)图1状态变化过程5.注意事项(1)放气的过程应该特别小心打开B阀后瓶内空气达到大气压时应立即关闭B阀。(2)由于硅压力传感器灵敏度不完全相同一台仪器配一只专用压力传感器请勿互换。(3)状态Ⅰ的记录要注意向瓶内压入空气后关闭进气阀门A等气压稳定后(即容器内温度下降到室温时)才读出P1示。实际上只要等P1示值稳定即可读出。(4)状态Ⅲ的压强P2示要等到容器内气温达到室温时记录瓶内气压实际上只要等P2示值稳定即可读出。(5)实验内容中打开放气阀门时当听到放气声结束应迅速关闭放气阀门提早或推迟关闭放气阀门都将影响实验要求引入误差。由于数字电压表尚有滞后显示经计算机实时测量发现