不同溫度下空氣比熱容比測量裝置的研究

常相輝,馮先富,張永文,劉 斌

(西南交通大學物理科學與技術學院物理實驗中心,四川成都610031)

不同溫度下空氣比熱容比測量裝置的研究

常相輝,馮先富,張永文,劉 斌

(西南交通大學物理科學與技術學院物理實驗中心,四川成都610031)

針對大學物理實驗現有測量空氣比熱容比裝置存在的不足,研制了可測量不同溫度下空氣的比熱容比的裝置,包括貯氣瓶、壓力傳感器、溫度傳感器及水浴系統.該裝置可使貯氣瓶內空氣保持在30～90℃之間的任一溫度.每隔10℃測量空氣的比熱容比值,實驗結果表明空氣比熱容比隨溫度上升而下降.

溫度;空氣;比熱容比

1 引 言

在空氣比熱容比測量實驗中,發現所采用的現有測量空比熱容比的裝置存在以下不足:

1)測量范圍有限,裝置所測得的空氣比熱容比值僅為某一時段內室溫條件下的值,而氣體比熱容比是隨著氣體溫度變化而改變的物理量;

2)精度不高,實驗整個過程超過3 h,期間室溫由于各種原因是不斷變化的,即無法保證室溫維持在某一固定溫度,即無法確切得到某一溫度下的空氣比熱容比值;

3)耗時長,本實驗現有設備中貯氣瓶內的氣體處于密封狀態,瓶內溫度與瓶外溫度的平衡過程比較長,必須等待瓶內氣體狀態完全穩定后才能讀數,降低了學生的學習效率.為此,我們設計了在不同溫度下測量空氣比熱容比的實驗設備.此設備具有可控制實驗系統溫度等特點,控制范圍為30～90℃,控制精度為±1℃.同時,此設備實現了系統溫度在其可控溫度范圍內的不同溫度下測量空氣比熱容比.

2 實驗設備

本文所介紹的自行研制的測量比熱容比裝置可以在不同溫度下測量空氣比熱容比,包括貯氣瓶、置于瓶內的數字擴散硅壓力傳感器和數字半導體溫度傳感器(型號AD590)及水浴系統,所述貯氣瓶上固定有充氣閥和放氣閥,充氣閥外接打氣球.實驗裝置見圖1.

圖1 實驗裝置示意圖

水浴系統包括:水浴容器、電加熱器、溫度傳感器(型號 Pt100)、交流接觸和溫控儀(型號CD708),其中溫度傳感器固定放置在水浴容器內用于實時測量水溫并反饋溫度信號至微控制器,微控制器與電加熱器件、溫度傳感器連接.其基本連接示意圖如圖2所示.

貯氣瓶內空氣溫度的改變可通過改變水溫實現,而水溫可通過傳感器系統保持在較準確的范圍內,當溫度低于最低設定溫度,電加熱器自動開啟;當溫度高于最高設定溫度,電加熱器自動關閉.該裝置還可以通過數碼管對溫度進行實時顯示.系統溫控電路示意圖如圖3所示.

圖2 控溫保溫系統

圖3 系統溫控電路示意圖

3 測量數據

3.1 測量不同溫度下空氣比熱容比的方法

該方法具體步驟與大學物理實驗[1-2]中“測量空氣比熱容比”實驗相同,在原有基礎上增加了溫度設定、水浴加熱等過程.重新設定另一溫度,重復測量空氣比熱容比在該溫度下的值,如此反復即可.

3.2 實驗數據及處理結果

對空氣在溫度分別為30,40,50,60,70,80,90℃下的比熱容比進行了測量,每個溫度點重復測量5次,得到平均值和A類不確定度,結果如表1所示.從表1中可以看出空氣比熱容比值在1.297～1.352之間.

根據表1作出空氣比熱容比γ隨溫度變化的曲線,如圖4所示.

表1 不同溫度下空氣比熱容比的平均值ˉγ及其A類不確定度

圖4 比熱容比-溫度關系圖

3.3 數據分析

已知理想氣體的定壓摩爾熱容Cp與定容摩爾熱容CV的關系為[3]

故

一般來說,氣體的比熱容隨溫度的升高而增大.其函數關系式可表示如下:

式(3)中 C是氣體的比熱;a0,a1,a2和 a3等系數均由實驗確定,其值隨氣體的種類和加熱過程而不同.再由式(2)可知,空氣比熱容比會隨溫度的升高而降低.雙原子分子理想氣體的比熱容比[4]是1.40,而實驗數據顯示,與理想氣體相比,空氣比熱容比值要小,在1.297～1.352之間.

綜合以上數據可知,空氣比熱容比隨溫度的升高而減小,而減小的速率也隨溫度的變化而改變.在30～90℃范圍內,空氣比熱容比隨溫度的升高而減小(從1.32變化到1.27),在30～60℃下降趨勢較快,在60～80℃下降趨勢較慢.

在實驗中可能存在的實驗誤差有:氣瓶漏氣,造成系統誤差使空氣比熱容比偏小;記錄數據 p2時,等待時間過短,使 p2偏小,從而空氣比熱容比偏小;由于氣瓶漏氣,在上升過程中出現下降趨勢,此時未待 p2穩定就關上氣閥,造成更大誤差,因漏氣造成的誤差更大,使 p2偏小,即空氣比熱容比偏小.另一方面,放氣時,未待氣體放完即關閉氣閥,即瓶內氣壓未降低到環境大氣壓,使 p2偏大,反而測得空氣比熱容比偏大.

4 結束語

本文所描述的設備在實驗中使用正常,保溫控溫效果較好,為實現在不同溫度下測量空氣的比熱容比提供了一種可行方案.本文使用裝置實際測量了空氣比熱容比值在不同溫度下的值,提供了不多見的非室溫下空氣比熱容比測量數據,進而對實驗結果分析得出,不同溫度下空氣比熱容比是不相同的,會隨著溫度的升高而減小.

[1]吳曉立,楊仕君,朱宏娜.大學物理實驗教程[M].成都:西南交通大學出版社,2007.

[2]龔力,楊啟鳳,雍志華,等.關于空氣比熱容比的測定實驗中 p-V曲線的討論[J].物理實驗,2009,29(5):37-40.

[3]汪志誠.熱力學·統計物理[M].北京:高等教育出版社,2003.

[4]王槿,錢鈞,張春玲,等.EDA和傳感器技術在空氣比熱容比測定裝置中的運用[J].物理實驗,2009,29(4):41-43.

[責任編輯:郭 偉]

Investigation of experimental instrumentmeasuring specific heat ratio of air at different temperatures

CHANG Xiang-hui,FENG Xian-fu,ZHANG Yong-wen,L IU Bin
(College of Physical Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Due to the shortcomingsof instrument thatwas used to measure the air specific heat ratio in physics experiments,a device to measure the air specific heat ratio under different temperatures was developed,w hich consisted of the air bottle,p ressure sensors,temperature sensors and water bath system.The air could be sto red at any temperature betw een 30℃and 90℃.The air specific heat ratios weremeasured at 30℃～90℃stepped by 10℃in experiment,and a conclusion came that air specific heat ratio increased w ith the dropping temperature.

temperature;air;specific heat ratio

O551.3

A

1005-4642(2011)04-0021-03

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-05-31;修改日期:2010-11-05

西南交通大學科技發展基金及實驗教學與實驗技術項目(2009-19),SRTP項目(091304)

常相輝(1980-),男,山東濟寧人,西南交通大學物理科學與技術學院物理實驗中心講師,博士,研究方向為光電材料及物理實驗教學.