廢舊物品自制熱力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

邱志華

(安順學(xué)院物理與電子科學(xué)系，貴州　安順561000)

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廢舊物品自制熱力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

邱志華

(安順學(xué)院物理與電子科學(xué)系，貴州安順561000)

摘要：用簡單廢舊物品設(shè)計(jì)制作實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程的實(shí)驗(yàn)裝置，并用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果與教學(xué)中推導(dǎo)出的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程方程定義符合。

關(guān)鍵詞：可逆過程; 準(zhǔn)靜態(tài)過程; 絕熱過程; 絕熱指數(shù);

引言

熱物理學(xué)里定義：熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)變化進(jìn)行緩慢的過程叫準(zhǔn)靜態(tài)過程[1]；絕熱過程是系統(tǒng)在和外界無熱量交換的條件下進(jìn)行的過程[2]。準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程是熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)變化進(jìn)行緩慢且和外界無熱量交換的條件下進(jìn)行的過程，熱物理學(xué)中的重要內(nèi)容之一。因此，理解掌握準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程的概念具有重要的理論意義和實(shí)際意義。那么，怎樣在教學(xué)中使學(xué)生對準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程的概念能更深刻的理解和正確掌握呢？根據(jù)物理教學(xué)的特點(diǎn)，教學(xué)中通過演示實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程是最有效的方法之一。

1簡單廢舊物品自制的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程的演示實(shí)驗(yàn)裝置

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置的介紹

自制演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由去掉上下兩端的兩支醫(yī)用10ml塑料注射器圓管，一根常用的洗衣機(jī)進(jìn)水塑料軟管，一個(gè)500ml醫(yī)用輸液空瓶，一塊木板，鐵固定支架等連接而成。

1.2　實(shí)驗(yàn)裝置的制作

1.2.1用一鐵支架固定在一塊長45cm、寬15cm、高4cm(材質(zhì)密度較大)的厚木板上。

1.2.2準(zhǔn)備二支去掉兩端底座補(bǔ)充完整刻度的10ml塑料注射器圓筒，用粘接劑將一支與500ml醫(yī)用輸液瓶口并沿瓶中心軸線用力推進(jìn)粘接固定，將另一支用同樣的方法與塑料軟管粘接固定，最后用細(xì)繩裝其于鐵支架的橫桿上。

1.2.3把塑料軟管的另一端連接到輸液瓶的針管口上。

2實(shí)驗(yàn)演示及實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)處理

2.1　演示實(shí)驗(yàn)步驟如下：

2.1.1如圖1，松開右針管與塑料軟管接口，用一只手略提高軟管口，再用20ml—50ml注射器吸一定量的水從裝置左邊10ml注射器口注入U(xiǎn)型管內(nèi)，使右邊管內(nèi)水面上升至管口，然后將右針管插入塑料軟管接口并用細(xì)繩扎緊接口，輕輕放下輸液瓶，移動左針管位置使右邊10ml注射器管內(nèi)水面達(dá)到某一較低刻度位置而且使U型管內(nèi)兩邊水面處在同一水平位置時(shí)，停止移動，這一刻度為起始刻度，記錄此刻度數(shù)據(jù)，(V1、P1、T1)的初始狀態(tài)。

2.1.2 用20ml—50ml注射器再吸一定量的水仍然從左邊針管口快速注入U(xiǎn)型管內(nèi)，使右邊水面上升達(dá)到某一刻度，停止注水，記錄此時(shí)刻右邊注射器管內(nèi)水面的刻度數(shù)據(jù)，并立即記錄左管液面刻度數(shù)據(jù)。這時(shí)研究熱力學(xué)系統(tǒng)處于(V2、P2、T2)狀態(tài)，即II狀態(tài)。

2.1.3 測量(3)步驟得出的左右兩管刻度線的水平距離。松開右針管與塑料軟管接口，取下輸液瓶，測量輸液瓶的容積(即研究氣體(熱力學(xué)系統(tǒng))的初始體積V1)。

2.2　實(shí)驗(yàn)分析：

實(shí)驗(yàn)通過從左管注入一定量的水，經(jīng)操作可將一定質(zhì)量的氣體密閉于瓶中。又經(jīng)操作當(dāng)U型管內(nèi)左右兩邊液面處于同一水平面時(shí)，由于左管上方開口，這時(shí)液表面壓強(qiáng)為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)，根據(jù)連通器原理，密閉于瓶中氣體這時(shí)的壓強(qiáng)也為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)，并與此時(shí)左右兩管內(nèi)水平面高度就作為測量左右兩管內(nèi)后來測量液面高度的零點(diǎn)。則選密閉氣體為實(shí)驗(yàn)研究的對象，設(shè)此時(shí)對象為I狀態(tài)，那么I狀態(tài)對象的體積基本為瓶的容積與針管的容積的和，壓強(qiáng)為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)，溫度為實(shí)驗(yàn)時(shí)外界的溫度，用：V1、P1、T1表示 I狀態(tài)的參量。 當(dāng)從左邊針管再注入一定量的水后，左右兩管內(nèi)液面都在上升，當(dāng)注水停止，這時(shí)對象為II狀態(tài)，從右管液面上升的位置與零點(diǎn)液面的位置差值可測出研究氣體體積的變化值，用I狀態(tài)氣體系統(tǒng)的體積減去該體積變化值，就得出II狀態(tài)氣體系統(tǒng)的體積；根據(jù)連通器原理，此時(shí)左右兩管內(nèi)液面水平高度距離為系統(tǒng)II狀態(tài)壓強(qiáng)與當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的變化值，因I狀態(tài)氣體系統(tǒng)的壓強(qiáng)為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)，所以，I狀態(tài)氣體系統(tǒng)的壓強(qiáng)值加上該變化值就得出II狀態(tài)氣體系統(tǒng)的壓強(qiáng)。這時(shí)對象的溫度為某一溫度值，即II狀態(tài)的參量V2=V1-△V12P2=P1-△P12T=T2由于液體在管內(nèi)上升時(shí)與管壁間摩擦較小，可以忽略不計(jì)摩擦力，另對象由I態(tài)到II態(tài)的時(shí)間，即第二次從左管注水時(shí)間，一般在2-4秒左右，從文獻(xiàn)[3]知道，實(shí)際氣體從不平衡到恢復(fù)所需時(shí)間只有秒，即狀態(tài)變化進(jìn)行的時(shí)間大于弛豫時(shí)間，故由I態(tài)到II態(tài)的變化過程是很緩慢的過程，故根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)過程的定義，氣體從I態(tài)到II態(tài)是無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程。又由于I態(tài)到II態(tài)過程時(shí)間相對于系統(tǒng)與外界達(dá)到熱平衡的時(shí)間來說較短，即I態(tài)到II態(tài)變化較快，系統(tǒng)來不及與外界交換熱量，故根據(jù)絕熱過程的定義，系統(tǒng)從I態(tài)到II態(tài)的過程是絕熱過程，所以根據(jù)以上分析，系統(tǒng)從I態(tài)到II態(tài)是準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程。

2.3　實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理

P1V11.4=860×6111.4=4.8452817×1012≈4.8×1012

P2V21.4=872.1×6061.4=4.7744051×1012≈4.8×1012

即：P1V1γ=P2V2γ=C

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果： P1V1γ=P2V2γ=C滿足準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程方程的定義，所以密閉于瓶中氣體從I狀態(tài)到II狀態(tài)的過程是準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程，與實(shí)驗(yàn)分析相符。

3結(jié)束語

通過上闡述，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)能將廢舊的生活用品自制實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程的實(shí)驗(yàn)裝置，這是一個(gè)變廢為寶且符合環(huán)保意識案例。該實(shí)驗(yàn)裝置取材容易(都源于生活廢舊物品)，結(jié)構(gòu)簡單，選擇適當(dāng)?shù)奈锲罚M裝容易，實(shí)驗(yàn)操作簡單，易操作，整個(gè)演示實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行兩次注水操作過程，現(xiàn)象清晰，數(shù)據(jù)易測量，左右兩針管液面位置容易觀察記錄，研究的熱力學(xué)氣體系統(tǒng)明確，系統(tǒng)體積變化清晰，數(shù)據(jù)容易測量，演示現(xiàn)象所需時(shí)間短，裝置能多次重復(fù)使用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]吳錫瓏·大學(xué)物理教程(第二冊)[M].北京：高等教育出版，1999:40-52.

[4]秦允豪·普通物理教程·熱學(xué)第二版[M]. 北京.高等教育出版社，2004: 169. 187. 197.

[5]李椿等·熱學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社，1978: 176.

[6]王竹溪·熱力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1955: 66.

(責(zé)任編輯：王德紅)

Introduction of Self-made Experimental Device by Life Waste Articles

Qiu Zhihua

(Department of physics and Electronic science, Anshun College, Anshun 561000,Guizhou,China)

Abstract：This paper introduces making experimental device that realization of quasi-static adiabatic process by simple scrap supplies，and introduces how to use the experimental device to realize the quasi-static adiabatic process of the ideal gas，and calculate according to the experimental measured data，the results also prove that the experimental device can demonstrate gas quasi-static adiabatic process.

Key words:reversible process；quasi-static process；adiabatic process；adiabatic exponent;

中圖分類號：O55.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9507(2015)01-0114-02

作者簡介：邱志華(1956~)，男，貴州安順人，安順學(xué)院副教授。研究方向：熱學(xué)、熱力學(xué)。

收稿日期：2014-11-08