1、1气体比热容比的测定实验讲义(FB2l2 型气体比热容比测定仪 )杭州精科仪器有限公司FB212 型气体比热容比测定仪装箱清单型号规格 单位 数量 备注FB2 1 3 型数显计时计数毫秒仪 台 1测试架 台 1 含光电门总成储气瓶固定杆总成圆柱形储气瓶 只 1 含橡皮塞 1 只空芯钢管 2 支球形储气瓶 只 1 含长玻璃管，内装弹簧、不 锈钢珠皮 管 根 2 内径 6mm，L=50cmACO 一 9602 气泵 只 1橡胶垫 块 2电源线 根 1实验讲义(说明书) 本 1比热容是物质的重要参量，在研究物质结构、确定相变、鉴定物质纯度等方面起着重要的作用。本实验将介绍一种较新颖的测量气体比热容的
2、方法。【实验目的】测定空气分子的定压比热容与定容比热容之比 值。【实验原理】 气体的定压比热容 Cp 与定容比热容 Cv 之比 =CpCv，在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数，测定的方法有好多种。这里介绍一种较新颖的方法，通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算 值。实验基本装置如图 1 所示，振动物体小球的直径比玻璃管直径仅小 0.010.02mm,它能在此精密的玻璃管中上下移动，在瓶子的壁上有一小口，并插入一根细管，通过它各种气体可以注入到储气瓶中。钢球 A 的质量为 m，半径为 r(直径为 d)，当瓶子内压力P 满足下面条件时，钢球 A 处于力平衡状态，这时，式中 PL 为大
3、气压强。为了补偿由于空2rgL气阻尼引起振动物体 A 振幅的衰减，通过 C 管一直注入一个小气压的气流，在精密玻璃管 B 的中央开设有一个小孔。当振动物体 A 处于小孔下方的2半个振动周期时，注入气体使储气瓶 II 的内压力增大，引起物体 A 向上移动，而当物体 A处于小孔上方的半个振动周期时，容器内的气体将通过小孔流出，使物体下沉。以后重复上述过程，只要适当控制注入气体的流量，物体 A 能在玻璃管 B 的小孔上下作简谐振动，振动周期可利用光电计时装置来测得。若物体偏离平衡位置一个较小距离 x，则容器内的压力变化 dp，物体的运动方程为：(1)因为物体振动过程相当快，所以可以看作绝热过程，绝热
4、方程(2)将(2)式求导数得出：(3)将(3)式代入(1)式得： 此式即为熟知的简谐振动方程，它的解为：(4)式中各量均可方便测得，因而可算出 值。由气体运动论可以知道， 值与气体分子的自由度有关，对单原子气体(如氩气 )只有三个平均自由度，双原子气体 (如氢气)除上述 3 个平均自由度外还有 2 个转动自由度。对多原子气体，则具有 3 个转动自由度，比热容比 与自由度 f 的关系为 。根据理论公式可以得到下面的结论，该数据与测试环境温度f无关。单原子气体(Ar ，He) f=3 r=1.67双原子气体(N 2，H2，02) f=5 r=1.40多原子气体(C02，CH4) f=6 r=1.3
5、3本实验装置主要由玻璃制成，而且对玻璃管(钢球简谐振动腔) 的要求特别高，振动物体不锈钢球的直径为 14.00mm，仅比玻璃管内径小 00 lmm 左右，玻璃管内壁有灰尘微粒都可能引起不锈钢球不能正常振动，因此振动物体(不锈钢球 )表面不允许擦伤，管内必须保3持洁净。不锈钢球静止时停留在玻璃管的下方(用弹簧托住) 。若要将其取出，只需在它振动时，用手指将玻璃管壁上的小孔堵住，稍稍加大气体流量不锈钢球便会上浮到管子上方开口处，用手可以方便地取出，也可以将玻璃管从储气瓶 II 上取下，将不锈钢球倒出来。振动周期采用可预置测量次数的数字计时仪，采用重复多次测量。振动物体直径采用螺旋测微计测出，质量用
6、物理天平称量，储气瓶 II 容积由实验室给出，大气压力由气压表自行读出，并换算成国际单位制 Pa( )。注：(760mmHg=101310 5 )。2/mN2/mN【实验仪器】FB212 型气体比热容比测定仪一套。其缔构和连接方式见图 2：说明：1.周期数设置；2.周期数显示；3.复位及执行键；4.计时显示；5空压机；6.储气瓶 I；7光电门；8钢球简谐振动腔；9不锈钢球：10小弹簧；11.储气瓶 II；12仪器底座；13气压调节器：【实验内容】一、实验仪器的调整1.将气泵、储气瓶用橡皮管连接好，装有钢球的玻璃管插入球形储气瓶。将光电接收装置利用方形连接块固定在立杆上，固定位置于空芯玻璃管的小
7、孔附近。当气泵的压力足够大时，为避免气压太大把钢球冲出，气泵出口的三通可暂时不用，采用单通道供气。2接通气泵电源，缓慢调节气泵上的调节旋钮，数分钟后，待储气瓶内注入一定压力的气体后，玻璃管中的钢球浮起离开弹簧，向管子上方移动，此时适当调节进气的大小，使钢球在玻璃管中以小孔为中心上下振动，即维持简谐振动状态。二振动周期测量接通 FB213 型数显计数计时毫秒仪的电源，把光电接收装置与毫秒仪连接。合上毫秒仪电源开关，预置测量次数为 50 次(N 次)( 可根据实验需要从 199 次任意设置)，设置计数次数时，可分别按“置数”键的十位或个位按钮进行调节，(注意数字调节只能按进位操作) ，设置完成后自
8、动保持设置值(直到再次改变设置为止) 。在不锈钢球正常振动的情况下，按4“执行“键，毫秒仪即开始计时，每计量一个周期，周期显示数值逐 1 递减，直到递减为 0时，计时结束，毫秒仪显示出累计 50 个(N 个) 周期的时间。(毫秒仪计时范围：O99999s，分辨率 lms。) 重复以上测量 5 次，将数据记录到表 2 中。三其它测量 用螺旋测微计和物理天平分别测出钢球的直径 d 和质量 m，其中直径重复测量 5 次。注： 1装有钢球的玻璃管上端有一黑色护套，防止实验时气流过大时，导致钢球冲出。如需测钢球的质量可先拔出护套，取出钢球，待测量完毕，钢球放入后，重新装好护套。 2若不能启动计时或不能停
9、止计时，可能原因是光电门位置放置不正确，造成钢球上下振动时未能挡光，如果因外界光线过强，影响光电门的正常逻辑关系，可拉上窗帘适当遮光，问题即可解决。3本实验仪器容器的容积由制造厂提供（ ） 。( 每台仪器上有标注)。mlV250【数据与结果】1 求钢珠质量、直径及其不确定度： 表 1次数项目 1 2 3 4 5 平均值质量 m（10 3 Kg）直径 d（10 3 m）平均值： , 不确定度：554321m )1(2nmim结果： )0(3kgm平均值： , 不确定度：554321dd )1(2ndid结果： )(d2.求算钢球振动周期 T： 表 2 设置测量周期个数 N=50次数项目 1 2 3 4 5 平均值N 周期时间t（s ）振动周期T（s）钢球震动周期： , 周NtTii期平均值： 554321TT5不确定度： 结果：)1(2nTiT )(ST3、在忽略储气瓶 II 体积 V、大气压 P 测量误差的情况下估算空气的比热容比及其不确定度【思考题】1.注入气体流量的多少对小球的运动情况有没有影响?2.在实际问题中，物体振动过程并不是十分理想的绝热过程，这时测得的值比实际值大还是小?为什么?
