空气绝热指数的测定实验

空气绝热指数的测定实验指导

空气绝热指数的测定实验

一、实验目的

1.学习测量空气绝热指数的方法。

2.通过实验，培养运用热力学基本理论处理实际问题的能力。

3.通过实验，进一步加深对刚性容器充气、放气现象的认识。

二、实验原理

在热力学中，气体的定压比热容c p和定容比热容c v之比被定义为该气体的绝热指数，并以k表示，即k cp/cv。

本实验利用定量气体在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气绝热指数k 。该实验过程的p－v 图，如图1所示。图中A B为绝热膨胀过程；B C为定容加热过程。因为A B为绝热过程，所以

k pAVA pBVBk （1）

B C为定容过程，所以VB VC。

假设状态A与C所处的温度相同，对于状态A、C可得：

pAVA pCVC （2）

将（2）式两边k次方得

(pAVA)k (pCVC)k （3）

比较（1）、（3）两式，可得 图 1

kkpCppkpA A (A) pBpCpApB

将上式两边取对数，可得

k ln(pA/pB) （4） ln(pA/pC)

因此，只要测出A、B、C三个状态下的压力pA、pB、pC ，且将其代入（4）式，即可求得空气的绝热指数k 。

三、实验设备

本实验的实验设备如图2所示。实验时，通过充气阀对刚性容器进行充气，至状态A，由U形管差压计测得状态A的表压h A ( mmH2O )，如图3状态A，我们选取容器内一部分气体作为研究对象，其体积为VA，压力为pA，温度为TA，假设通过排气阀放气，使其压力与大气压被力相平衡，恰好此时的气体膨胀至整个容器（体积为VB），立即关闭排气阀，膨胀过程结束。因为PB = pa（大气压力），由于此过程进行得十分迅速，可忽略过程的热交换，因此可认为此过程为定量气体的绝热膨胀过程，即由状态A (pA、VA、TA)绝热膨胀至状态B (pB、VB、TB)。（注意VB等于容器体积，VA为一小于容器体积的假象体积）。处于状态B的气体，由于其温度低于环境温度，则刚性容器内的气体通过容器壁与环境交换热量，当容器内的气体温度与环境温度相等时，系统处于新的平衡状态C (pC、VC、TC)。若忽略刚性容器的体积变化，此过程可认为是定容加热过程。此时容器内气体的压力可由U形差压计测得hC ( mmH2O )。至此，被选为研究对象的气体，从A经过绝热膨胀过程至B，又经过定容加热过程至C，且状态A、C所处的温度同为环境温度，

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实现了图1中所示的过程。

图 2 实验设备示意图

图 3 气体热力过程示意图

四、实验步骤

1.实验前，认真阅读实验指导书，了解实验原理

2.进入实验室后，参考实验指导书，对照实物熟悉实验设备。

3.实验中，由于对装置的气密性要求较高，因此，实验开始时，首先应检查装置的气密性。方法是，通过充气阀对刚性容器充气至状态A，使hA = 200 ( mmH2O )左右，过几分钟后观察水柱的变化，若不变化，说明气密性满足要求；若有变化，则说明装置漏气。此步骤一定要认真，否则，将给实验结果带来较大的误差，同时读出hA的值。

4.右手转动排气阀，在气流流出的声音“拍”消失的同时关上排气阀（此时，恰到好处，实验操作者在实验正式开始前要多练习几次）。

5.待U型管差压计的读数稳定后，读出hC（大约需5分钟左右的时间）。

6.重复上述步骤，多做几遍，将实验中采集的数据填在实验数据表格中，并求k值。

五、计算公式

如果将前述的（4）式直接用于实验计算的话，那是比较麻烦的。因此，针对我们的实验条件，现将（4）式进行适当的简化。

3 3设U型管差压计的封液（水）的重度为γ= 9.81×10（N/m），实验时大气压力则为pa≈

310（mmH2O）。因此，状态A的压力可表示为pA= pa + hA，状态B的压力可表示为pB = pa，状态C的压力可表示为pc pa hC。将其代入（4）式得

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pa hAhln(1 A)papa （5） k p hAh hClnaln(1 A)pa hCpa hC

实验中由于刚性容器的限制，一般取hA≈200（mmH2O），且hC hA ，因此有hC pa pa，hA/pa 1,(hA hC)(pa hA) 1。 ln

所以，按照近似的方法，（5）式可简化为

k hA/pahA （6） (hA hC)/(pa hC)hA hC

这即为利用本实验装置测定空气绝热指数k的简化（近似）计算公式。

六、实验数据记录和整理

室温ta ＝ ℃，大气压力pa ＝ mmHg，湿度φ ＝ %。

七、实验报告要求

1.预习实验报告，了解实验原理，熟悉实验方法，实验时认真动手操作。

2.书写实验报告，其内容除实验数据记录和整理外，还包括实验原理简述、实验设备简介和对实验结果的分析及讨论。

八、实验思考题

1.漏气对实验结果有何影响？

2.实验中，充气压力选得过大或过小，对实验结果有何影响？

3.空气的湿度对实验结果有何影响？

4.在定容加热过程中，如何确定容器内的气体温度回到了初温？

5.若实验中，转动排气阀的速度较慢，这将对实验结果产生何种影响？

6.本实验所选定的热力系对刚性容器而言是开口变质量热力系，请按开口系统导出（4）式。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8qy1.html