實驗一 空氣絕熱指數的測定一、實驗目的1.熟悉用絕熱膨脹、定容加熱基本熱力過程與工作原理測量空氣絕熱指數k的實驗方法。2.通過實驗，培養運用熱力學基本理論處理實際問題的能力。3.通過實驗，進一步加深對剛性容器充氣、放氣現象的認識。二、實驗原理在熱力學中，氣體的定壓比熱容和定容比熱容之比被定義為該氣體的絕熱指數，并以表示，即。本實驗利用定量氣體在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規律測定空氣絕熱指數，該實驗過程的圖，如圖1所示。圖1圖中AB為絕熱膨脹過程；BC為定容加熱過程。因為AB為絕熱過程，所以 （1）BC為定容過程，所以。假設狀態A與C所處的溫度相同，對于狀態A、 C可得： （2）將（2）式兩邊次方得 （3）比較（1）、（3）兩式可得 將上式兩邊取對數，可得 （4）因此，只要測出A、B、C三個狀態下的壓力、，且將其代入（4）式，即可求得空氣的絕熱指數 k。三、實驗設備本實驗的實驗設備如圖2所示。實驗時，通過氣囊4對有機玻璃容器1進行充氣至狀態A，由U型管壓力計3測得狀態A的表壓(mmH2O)，如圖狀態A。選取容器內的氣體作為研究對象，其體積為，壓力為，溫度為。壓力穩定后，通過放氣閥門5突然放氣并迅速關閉，使其壓力與大氣壓力相平衡，此時的氣體膨脹至整個容器（體積為），膨脹過程結束后，（大氣壓力）。由于此過程進行得十分迅速，忽略過程的熱交換，因此可認為此過程為定量氣體的絕熱膨脹過程，即由狀態A（、）絕熱膨脹至狀態B（、）（注意等于容器體積，為一小于容器體積的假象體積）。處于狀態B的氣體，由于其溫度低于環境溫度，則剛性容器內的氣體通過容器壁與環境交換熱量，持續約30分鐘左右，當容器內的氣體溫度與環境溫度相等時，系統處于新的平衡狀態C (、)。若忽略剛性容器的體積變化，此過程可認為是定容加熱過程。此時容器內氣體的壓力可由U形差壓計測得(mmH2O)。至此，被選為研究對象的氣體，從A經過絕熱膨脹過程至B，又經過定容加熱過程至C，且狀態A、 C所處的溫度同為環境溫度，實現了圖1中所示的過程。圖2 實驗設備示意圖圖3 氣體熱力過程示意圖四、實驗方法及步驟1. 認真閱讀實驗指導書，對照實物熟悉實驗設備，了解實驗原理。2. 在閥門5開啟的情況下（容器與大氣相通），用醫用注射器將蒸餾水注入U型管壓力計3至120150mm左右的水柱高。水柱內應不含氣泡，如有氣泡，應設法排除。3. 調整裝置的水平位置，使U型管壓力計3兩水管中的水柱高在一個水平線上。4. 關閉閥門5，把備帽擰緊。5. 檢查裝置的氣密性。方法是：1）通過充氣閥對剛性容器充氣至狀態A，使（mmH2O）左右，過幾分鐘后觀察水柱的變化，若不變化，說明氣密性滿足要求，讀出的值。2）若有變化，則說明裝置漏氣，應將放氣閥門5的錐形塞拔出，抹上一些真空油，可改善密封性，抹油后安裝就位，把備帽擰緊。重復步驟1）。此步驟一定要認真，否則，將給實驗結果帶來較大的誤差，同時讀出的值。6.右手突然打開放氣閥門5放氣，并迅速關閉（在氣流流出的聲音“拍”消失的同時關上排氣閥，此時，恰到好處，實驗操作者在實驗正式開始前要多練習幾次）。7.持續30分鐘左右，待容器內空氣溫度與大氣溫度一致時，即U型管差壓計的讀數穩定后，讀出。8.重復上述步驟3次以上，將實驗中采集的數據填在實驗數據表格中，并求值（取其平均值）。注意：氣囊往往要漏氣，充氣后必須用夾子將膠皮管加夾緊。五、計算公式如果將前述的（4）式直接用于實驗計算的話，比較麻煩。因此，針對我們的實驗條件，現將（4）式進行適當的簡化。設U型管差壓計的封液（水）的重度為（N/m3），實驗時大氣壓力為（mmH2O）。因此，狀態A的壓力可表示為，狀態B的壓力可表示為，狀態C的壓力可表示為。將其代入（4）式得 （5）實驗中由于剛性容器的限制。一般取(mmH2O)，且，因此有，。所以，按照近似的方法，（5）式可簡化為 （6）這即為利用本實驗裝置測定空氣絕熱指數的簡化（近似）計算公式。六、實驗數據記錄和整理室溫ta= ，大氣壓力=mmHg。實驗