测定空气的比热容比实验补充内容(振动法)
要求:用绝热膨胀法(见教材)和振动法两种方法测定空气的比热容....
比
实验目的:
1.理解热力学过程中状态变化及基本物理规律;
2. 学会用振动法测定空气的比热容比。
实验原理:
基本原理如图1所示:
图1 实验基本原理
气体的定压比热容cp与定容比热容cv之比cp/cv 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,测定物体在特定容器中的振动周期来计算值。
振动物体小钢球A的直径比玻璃管B的直径仅小0.01-0.02mm,所以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C,并插入一根细管,通过它各种气体可以注入到烧瓶中。
为了补偿由于空气阻尼引起振动物体A 振幅的衰减,因此通过C 管一直注入一个小气压的气流。在精密玻璃管B 中的中央开设有一个小孔。当振动物体A 处于小孔下方的半个振动周期时,注入气体使容器内压力增大,引起物体A上下振动,而当物体A 处于小孔上方的半个周期时,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。
设钢球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,刚球A处于力平衡状态,pplmgr2
式中pl为大气压力。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: mdx
dl22rdp (1) 2
因为物体振动过程相当快,所以可以看作绝热过程,绝热方程
pV=常数 (2)
将(2)式求导数得出 dppdv
V
2
将(3)代入(2)式得 : dVr (3)
24dx
dt22rpmVx0
rp
mV24此式即为熟知得简谐振动方程,它得解为 :2
T
即: 64mV
Tpd4
式中各量均可方便测得,因而可算出值。
值与气体分子的自由度数有关。由气体运动论可以知道,对单原子气体(例
氩)只有三个平均自由度,双原子气体(例氮)除上述三个平均自由度外,还有两个转动自由度,对多原子气体,则只有三个转动自由度。
比热容比与自由度f得关系为:(f2)/f,理论上得出:
单元子气体(Ar, He) f=3 =1.67
双原子气体(N2, H2, O2) f=5 =1.40
多原子气体(CO2, CH4) f=6 =1.33 且与温度无关
实验仪器:
振动主体、多功能数字计时仪(分50次,100次二档)、微型气泵、大气压力计、缓冲瓶
图2 振动法测量气体比热容比实验装置
本实验装置中主要装置系玻璃制成,且对玻璃管的要求特别高,振动物体的直径仅比玻璃管的内径小0.01mm左右,因此振动物体表面不允许擦伤。 实验内容及主要步骤:
1、
2、
3、
4、 用螺旋测微器测量备用小球(不可取出管道内的小球,以免损坏仪器)直径10次。 测量大气压强(实验开始前,结束各测一次,取平均值) 用物理天平测量备用小球的质量。 利用小气泵作为气源,测定空气的比热容比(可近似为双原子气体),振
动次数选50次,重复测10次。
注意事项:
1、 为确保光电门正常工作,小球运动过程中必须能遮挡光电门间隙内的红外
线发射管和红外线接收管之间的红外线,且确保光电门不在强光环境下工作。
为确保小球平衡位置以下的气体体积V=Vo,小球运动必须以通气孔为平衡位置。
为确保小球作简谐振动,必须尽量使玻璃管竖直,从而减小小球和玻璃管内壁之间的摩擦力。 2、 3、
4、 为确保小球不从玻璃管内冲出而损坏实验仪器,请在打开电源前先将空气
泵调至通气速率最小,然后根据实验需要细心调节空气泵。
思考题:
1、
2、 3、 如果压强增大,气体比热容比将发生什么变化? 为什么始终大于1? 如果振动物体的周期较长,公式还适用吗?为什么?
测定空气的比热容比实验补充内容(振动法)
要求:用绝热膨胀法(见教材)和振动法两种方法测定空气的比热容....
比
实验目的:
1.理解热力学过程中状态变化及基本物理规律;
2. 学会用振动法测定空气的比热容比。
实验原理:
基本原理如图1所示:
图1 实验基本原理
气体的定压比热容cp与定容比热容cv之比cp/cv 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,测定物体在特定容器中的振动周期来计算值。
振动物体小钢球A的直径比玻璃管B的直径仅小0.01-0.02mm,所以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C,并插入一根细管,通过它各种气体可以注入到烧瓶中。
为了补偿由于空气阻尼引起振动物体A 振幅的衰减,因此通过C 管一直注入一个小气压的气流。在精密玻璃管B 中的中央开设有一个小孔。当振动物体A 处于小孔下方的半个振动周期时,注入气体使容器内压力增大,引起物体A上下振动,而当物体A 处于小孔上方的半个周期时,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。
设钢球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,刚球A处于力平衡状态,pplmgr2
式中pl为大气压力。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: mdx
dl22rdp (1) 2
因为物体振动过程相当快,所以可以看作绝热过程,绝热方程
pV=常数 (2)
将(2)式求导数得出 dppdv
V
2
将(3)代入(2)式得 : dVr (3)
24dx
dt22rpmVx0
rp
mV24此式即为熟知得简谐振动方程,它得解为 :2
T
即: 64mV
Tpd4
式中各量均可方便测得,因而可算出值。
值与气体分子的自由度数有关。由气体运动论可以知道,对单原子气体(例
氩)只有三个平均自由度,双原子气体(例氮)除上述三个平均自由度外,还有两个转动自由度,对多原子气体,则只有三个转动自由度。
比热容比与自由度f得关系为:(f2)/f,理论上得出:
单元子气体(Ar, He) f=3 =1.67
双原子气体(N2, H2, O2) f=5 =1.40
多原子气体(CO2, CH4) f=6 =1.33 且与温度无关
实验仪器:
振动主体、多功能数字计时仪(分50次,100次二档)、微型气泵、大气压力计、缓冲瓶
图2 振动法测量气体比热容比实验装置
本实验装置中主要装置系玻璃制成,且对玻璃管的要求特别高,振动物体的直径仅比玻璃管的内径小0.01mm左右,因此振动物体表面不允许擦伤。 实验内容及主要步骤:
1、
2、
3、
4、 用螺旋测微器测量备用小球(不可取出管道内的小球,以免损坏仪器)直径10次。 测量大气压强(实验开始前,结束各测一次,取平均值) 用物理天平测量备用小球的质量。 利用小气泵作为气源,测定空气的比热容比(可近似为双原子气体),振
动次数选50次,重复测10次。
注意事项:
1、 为确保光电门正常工作,小球运动过程中必须能遮挡光电门间隙内的红外
线发射管和红外线接收管之间的红外线,且确保光电门不在强光环境下工作。
为确保小球平衡位置以下的气体体积V=Vo,小球运动必须以通气孔为平衡位置。
为确保小球作简谐振动,必须尽量使玻璃管竖直,从而减小小球和玻璃管内壁之间的摩擦力。 2、 3、
4、 为确保小球不从玻璃管内冲出而损坏实验仪器,请在打开电源前先将空气
泵调至通气速率最小,然后根据实验需要细心调节空气泵。
思考题:
1、
2、 3、 如果压强增大,气体比热容比将发生什么变化? 为什么始终大于1? 如果振动物体的周期较长,公式还适用吗?为什么?