實驗指導書

一、實驗目的

1、學習測量空氣絕熱指數(shù)據(jù)的方法；
2、通過實驗，培養(yǎng)運用熱力學的基本理論處理實際問題的能力；
3、通過實驗，進一步加深對剛性容器充放氣現(xiàn)象的認識。

二、實驗裝置及測試原理

在熱力學中，氣體的定壓比容cp與定容比熱cv之比  被定義為該氣體的絕熱指數(shù)，以k表示，即K=Cp/Cv。
本實驗利用定量氣體在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規(guī)來制定空氣的絕熱指數(shù)K。其P-V圖如圖1所示。圖中AB為絕熱膨脹過程，BC為空氣加熱過程。圖AB為絕熱過程，所以




    
1、 充氣閥  2、U型壓差計  3、連接膠管  4、三通  5、剛性容器  6、排氣閥  7、排氣罩                           
BC為定容過程，所以V2=V3
假設狀態(tài)A與C所處溫度相同，則T1＝T3
所以，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，對于狀態(tài)A、C可得：


因此，只要同A、B、C三狀態(tài)下的壓力，P1、P2、 P3,且將其代入（4）式，即可求得空氣的絕熱指數(shù)K。

三、實驗設備

本實驗的實驗設備如圖2所示


實驗時，通過充氣閥對剛性容器進行充氣，至狀態(tài)A，由U型差壓計測得A狀態(tài)的表壓力為h1mmH2O,如圖3狀態(tài)A，我們選取容器內(nèi)一部分氣體作為研究對象，其體積為V1，壓力、溫度為P1、T1，假設通過排氣閥放氣，使其壓力與大氣壓力相平衡，恰好此時V1的氣體通過膨脹至整個容器（體積為V2）,立刻關閉排氣閥，膨脹過程結束。因此P2＝P（大氣壓力），由于此過程進行得十分迅速，可忽略容器的傳熱。因而可以認為此過程為定量氣體的絕熱膨脹過程，即由狀態(tài)A（P1，V1，T1）絕熱膨脹至狀態(tài)B（P2，V2，T2）。（注意V2等于容器體積，V1為一小于容器體積的假想體積）。處于狀態(tài)B的空氣，由于其溫度低于環(huán)境溫度，剛性容器內(nèi)的氣體通過剛性容器壁與外界環(huán)境交換熱量，當容器內(nèi)的氣體溫度與環(huán)境溫度相等時，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)C（P3，V2，T3）.若忽略剛性容器的體積變化，此BC過程可以認為為定容加熱過程。此時容器內(nèi)的氣體壓力可由差壓計測得h3mmH2O。至此，選作為研究對象的氣體，從A經(jīng)過絕熱膨脹過程至B，以經(jīng)過定容加熱過程至C，且狀態(tài)A、C所處溫度同為環(huán)境溫度，實現(xiàn)了圖1中所示的過程。

四、實驗步驟

1、實驗前，認真閱讀本實驗指導書，了解實驗原理。
2、進入實驗室后，根據(jù)實驗指導書，對照實物熟悉實驗裝置。
3、實驗中，由于對裝置的氣密性要求較高，因此，在實驗開始時，首先應檢查其氣密性，通過充氣閥對剛性容器充氣至狀態(tài)A，使h＝200mmH2O左右，然后觀察h值5分鐘，看H值是否發(fā)生變化。若不變化，說明氣密性滿足要求，若變化，說明裝置漏氣。
此步驟一定要認真，否則將給實驗結果帶來較大的誤差，同時讀出h1值。
4、右手轉動排氣閥，在氣流流出的聲音“拍”消失的同時關上排氣閥，恰到好處，操作者可在實驗開始以前先練習幾次。
5、待U型差壓計的讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取h3，穩(wěn)定過程需5分鐘。
6、重復以上步驟，多做幾遍，將實驗值填在實驗數(shù)據(jù)的表格中，并求K值。

五、計算公式

如果將前述的（4）式直接用于實驗計算的話，那是比較麻煩的。因此，針對我們的實驗條件，現(xiàn)將（4）式進行適當簡化。
設U型差壓計的封液（水）密度為r＝9.81×10³N/m³，實驗時的大氣壓力則為Pa »10?Pa。因此狀態(tài)A的壓力可表示為P1＝Pa＋h1狀態(tài)B的壓力可表示為P2＝Pa狀態(tài)C的壓力可表示為P3＝Pa＋P1。將其代入（4）式得：


實驗中由于剛性容器受壓的限制，一般取。且h3< h1，因此則有：
，h1/ Pa<<1，（h1- h3）/（Pa＋h 3）<<1。
所以，按照近似計算方法，（5）式可簡化為：


這即為利用本實驗裝置測定空氣絕熱指數(shù)K的簡化（近似）計算公式。

六、實驗數(shù)據(jù)計算和整理

環(huán)境條件：
室溫ta＝       ℃         大氣壓力為Pa＝         mmHg        濕   度          %



空氣絕熱指數(shù)的理論值K＝1.4
相對誤差K-Ki/K×100%＝

七、實驗要求

1、預習實驗指導書，明白實驗原理，熟悉實驗方法，實驗時認真動手操作
2、書寫實驗報告，其內(nèi)容除實驗數(shù)據(jù)記錄和整理外，還包括實驗原理簡述。

實驗設備簡介和對有關問題的討論。

1、漏氣將對實驗結果有何影響？
2、實驗中若未取下防塵罩，將對實驗結果產(chǎn)生什么影響？
3、實驗中，充氣壓力選得過大或過小，對實驗結果有何影響？
4、空氣的濕度對實驗結果有何影響？
5、在BC定容加熱的過程中，如何確定容器內(nèi)的氣體回到了初溫？
6、若實驗中，轉動排氣閥的速度較慢，這將對實驗結果產(chǎn)生什么影響？
 

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