專利名稱：一種氣體比熱容比的測定裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涉及氣體比熱容測量技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種氣體比熱容
比的測定裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的氣體比熱容比測量方法和裝置種類不多，現(xiàn)在各高校主要是利用頻率來測 氣體比熱容比。目前能精確測量氣體比熱容比的儀器不多。大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中通過通過測量空 氣彈簧振子固有頻率，從而測定氣體比熱容比值的方法。這種測定方法裝置簡單，但這種測 量裝置不能忽略小球和瓶壁間的摩擦，故得出的結(jié)果誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種氣體比熱容比的測定裝置及其 測量方法。使測量得到的氣體比熱容比更接近理論值。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明一種氣體比熱容比的測定裝置，其特征在于包括第一、第二貯氣瓶，帶有刻
度的U型管，打氣球，壓強(qiáng)傳感器，數(shù)據(jù)測量及處理系統(tǒng)，四個瓶塞，四個三端口玻璃導(dǎo)管，
二端口玻璃導(dǎo)管，固定座以及六個旋塞式氣閥，其中第五玻璃導(dǎo)管的一端與打氣球的出口
接合、另一端穿過第三瓶塞插入第二貯氣瓶，二端口玻璃導(dǎo)管的兩端分別設(shè)置第一、第二旋
塞式氣閥；第四三端口玻璃導(dǎo)管的一端穿過第三瓶塞插入第二貯氣瓶、另一端穿過第四瓶
塞插入U型管的一端、第三端設(shè)置第六旋塞式氣閥，U型管固定于固定座上；第三三端口玻
璃導(dǎo)管的一端穿過第二瓶塞插入U型管的另一端、另一端通過第三旋塞式氣閥與第二三端
口玻璃導(dǎo)管的一端接合、第三端通過第四旋塞式氣閥與第一三端口玻璃導(dǎo)管的一端接合；
第一三端口玻璃導(dǎo)管的另一端穿過第一瓶塞插入第一貯氣瓶、第三端設(shè)置壓強(qiáng)傳感器，所
述壓強(qiáng)傳感器通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)相連接；第二三端口玻璃導(dǎo)管的另一端穿過
第一瓶塞插入第一貯氣瓶、第三端設(shè)置第五旋塞式氣閥。 所述的一種氣體比熱容比的測定裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)為 單片機(jī)系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)測量、運(yùn)算處理、記錄和顯示模塊，其中測量模塊的輸入端接壓強(qiáng)傳 感器的輸出端，測量模塊、記錄模塊的輸出端分別接運(yùn)算處理模塊的輸入端，運(yùn)算處理模塊 的輸出端接顯示模塊的輸入端。 所述的一種氣體比熱容比的測定裝置，其特征在于所述壓強(qiáng)傳感器的型號為 MS5540B。 —種氣體比熱容比的測定裝置的測量方法，其特征在于包括如下步驟 a、在測量前首先檢查裝置的氣密性將第二貯氣瓶中充滿水，打開第一至第五旋
塞式氣閥用打氣球向第二貯氣瓶中打氣，若有液體進(jìn)入U型管中且出現(xiàn)了液位差，則第三
旋塞式氣閥之前裝置的氣密性良好；然后關(guān)閉旋塞式氣閥打開旋塞式氣閥，當(dāng)U型管中的
液位變化即一端液位上升、另一端下降，則所述測定裝置氣密性良好，否則所述測定裝置氣密性不良，檢查裝置直至所述測定裝置氣密性良好； b、啟動數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)，打開六個旋塞式氣閥使得所述測定裝置中各處的大 氣壓強(qiáng)與第一貯氣瓶外的壓強(qiáng)相等為P。；關(guān)閉旋塞式氣閥，打開氣閥，通過打氣球向所述測 定裝置中充氣，充滿水的貯氣瓶2中的水流向U型管，將U型管中的氣體壓入第一貯氣瓶 中，待液位穩(wěn)定后，此時U型管中液體的體積即為壓入第一貯氣瓶中氣體的體積Vl，已知第 一貯氣瓶的容積為V。，采用壓強(qiáng)傳感器檢測得到此時第一貯氣瓶內(nèi)的壓強(qiáng)值則此時第 一貯氣瓶內(nèi)的氣體狀態(tài)為I (Pp V》，k = V。+Vl，/JP7=C， C為常數(shù)，其中k為第一貯氣瓶內(nèi) 的氣體狀態(tài)為I時的體積； c、關(guān)閉旋塞式氣閥，打開旋塞式氣閥，打開關(guān)閉的旋塞式氣閥，此時U型管中另 一端的液位下降^，采用壓強(qiáng)傳感器檢測得到此時第一貯氣瓶內(nèi)的壓強(qiáng)值P2，此時第一
貯氣瓶內(nèi)的氣體狀態(tài)為n(p2， v2)， v2 = ^12，/>2「/=<:，(:為常數(shù)，帶入有氣體的絕熱方程 計(jì)算出氣體比熱容比y = Qglp Pi，其中、為第一貯氣瓶內(nèi)的氣體狀態(tài)為n
時的體積。 本發(fā)明具有以下有益效果根據(jù)本發(fā)明的氣體比熱容比的測定方法設(shè)計(jì)的測量裝 置，可以實(shí)現(xiàn)快速、便捷的測量，提高實(shí)驗(yàn)精度，可以直接測算出氣體比熱容比，免去了間接 測算的誤差，測得的氣體比熱容比值更接近于理論值。此裝置簡單易于操作，避免了通過測 量空氣彈簧振子固有頻率，從而測定氣體比熱容比值的方法中小球和瓶壁間摩擦產(chǎn)生的誤 差。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證氣體比熱容比值效果極佳。因此在研究氣體內(nèi)能及焓等熱學(xué)特 性方面有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1 :時本發(fā)明氣體比熱容比裝置的示意圖。 1， 2-定容貯氣瓶、3_帶有刻度的U型管、4_打氣球、5_壓強(qiáng)傳感器、6_數(shù)據(jù)測量 與處理系統(tǒng)、7，8，22，23-瓶塞、9-閥門Q、10-閥門C2、ll_閥門C3、12_閥門C4、13_閥門C5、 21-閥門C6、16， 17， 18為導(dǎo)管、19-導(dǎo)線、20-固定座。
圖2 :本發(fā)明數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明 如圖1所示，一種氣體比熱容比的測定裝置，其特征在于包括第一、第二貯氣瓶1、 2，帶有刻度的U型管3，打氣球4，壓強(qiáng)傳感器5，數(shù)據(jù)測量及處理系統(tǒng)6，四個瓶塞7、8、22、 23，四個三端口玻璃導(dǎo)管14、15、16、17，二端口玻璃導(dǎo)管18，固定座20以及六個旋塞式氣 閥9、10、11、12、13、21，其中第五玻璃導(dǎo)管18的一端與打氣球4的出口接合、另一端穿過第 三瓶塞22插入第二貯氣瓶2， 二端口玻璃導(dǎo)管18的兩端分別設(shè)置第一、第二旋塞式氣閥9、 10 ;第四三端口玻璃導(dǎo)管17的一端穿過第三瓶塞22插入第二貯氣瓶2、另一端穿過第四瓶 塞23插入U型管3的一端、第三端設(shè)置第六旋塞式氣閥21， U型管3固定于固定座20上； 第三三端口玻璃導(dǎo)管16的一端穿過第二瓶塞8插入U型管3的另一端、另一端通過第三旋塞式氣閥11與第二三端口玻璃導(dǎo)管15的一端接合、第三端通過第四旋塞式氣閥12與第 一三端口玻璃導(dǎo)管14的一端接合；第一三端口玻璃導(dǎo)管14的另一端穿過第一瓶塞7插入 第一貯氣瓶1、第三端設(shè)置壓強(qiáng)傳感器5，所述壓強(qiáng)傳感器5通過導(dǎo)線19與數(shù)據(jù)測量與處理 系統(tǒng)6相連接；第二三端口玻璃導(dǎo)管15的另一端穿過第一瓶塞7插入第一貯氣瓶1、第三 端設(shè)置第五旋塞式氣閥13。
上述貯氣瓶1 ， 2為定容玻璃瓶；
上述U型管3為帶有刻度的玻璃儀器；
上述打氣球4為橡膠材料制成； 上述壓強(qiáng)傳感器5為高靈敏度高精度壓強(qiáng)傳感器； 上述數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)6通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)測量與顯示；
上述瓶塞7，8，22，23為封閉良好的橡膠塞，用于封閉貯氣瓶及U型管；
上述氣閥9，10，11，12，13，21為開關(guān)性良好的氣閥；
上述玻璃導(dǎo)管14， 15， 16， 17為具有三端口的玻璃導(dǎo)管；
上述導(dǎo)管18為一般的玻璃導(dǎo)管；
上述導(dǎo)線19為一般銅導(dǎo)線； 如圖2所示，所述的數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)6為單片機(jī)系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)測量、運(yùn)算處 理、記錄和顯示模塊，其中測量模塊的輸入端接壓強(qiáng)傳感器5的輸出端，測量模塊、記錄模 塊的輸出端分別接運(yùn)算處理模塊的輸入端，運(yùn)算處理模塊的輸出端接顯示模塊的輸入端。
利用上述氣體比熱容比測量裝置測量氣體比熱容比的具體步驟如下a、在測量前 首先檢查裝置的氣密性。貯氣瓶2中充滿的水，打開閥門Q， C2， C4， C3， Cs用打氣球向裝置 中打氣，若有液體進(jìn)入U型管3中且出現(xiàn)了液位差，說明C3之前裝置的氣密性良好。然后 關(guān)閉Q， C2， Q，打開Q， Cs，可以看到U型管中的液位變化，及一側(cè)液位上升一側(cè)下降，則說 明該裝置氣密性良好，若無此變化說明裝置氣密性不良；b、打開數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)6中 的開關(guān)，打開裝置中的所有氣閥是裝置中各處的大氣壓強(qiáng)與貯氣瓶1外的壓強(qiáng)相等為P。，此 時裝置6的顯示屏上顯示的壓強(qiáng)等于大氣壓P。。關(guān)閉氣閥C3， C5， Ce，打開氣閥Q， C2， Q，通 過打氣球4向裝置中充氣，可以看到充滿水的貯氣瓶2中的水流向U型管2，將U型管中的 氣體壓入貯氣瓶1中，待液位穩(wěn)定后，此時U型管中液體的體積即為壓入貯氣瓶1中氣體的 體積Vl，已知貯氣瓶1的容積為V。，讀出此時貯氣瓶1內(nèi)的壓強(qiáng)值Pp則此時瓶內(nèi)的狀態(tài)為 <formula>formula see original document page 6</formula>(C為常數(shù)) c、關(guān)閉氣閥(^，(；，打開氣閥Ce，迅速打開關(guān)閉氣閥C3，此時U型管中一側(cè)的液位有 所下降v2，讀出此時瓶內(nèi)壓強(qiáng)值P2，此時瓶內(nèi)氣體的狀態(tài)<formula>formula see original document page 6</formula>(c為常數(shù))帶入有氣體的絕熱方程<formula>formula see original document page 6</formula>可以計(jì)算出氣體比熱容比。<formula>formula see original document page 6</formula> 測量氣體比熱容比的原理如下 氣體比熱容比的定義為Y = Cp/Cv，又在氣體絕熱過程中有PVY = C(C為常數(shù))，可以得出絕熱過程的兩個狀態(tài)滿足=P2VJ 因此，只要測出絕熱過程兩個狀態(tài)的體積和壓強(qiáng)，通過計(jì)算就可直接得出氣體比 熱容比。
下面對氣體比熱容比的測量方法進(jìn)行如下說明 測量氣體比熱容比的方法如下a、測量前進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，a、在測量前首先檢查 裝置的氣密性。貯氣瓶2中充滿的水，打開閥門Q， C2， C4， C3， C5用打氣球向裝置中打氣，若 有液體進(jìn)入U型管3中且出現(xiàn)了液位差，說明C3之前裝置的氣密性良好。然后關(guān)閉Q， C2， Q，打開Q， C5，可以看到U型管中的液位變化，及一側(cè)液位上升一側(cè)下降，則說明該裝置氣 密性良好，若無此變化說明裝置氣密性不良。 b、打開數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)6中的開關(guān)，打開裝置中的所有氣閥是裝置中各處的 大氣壓強(qiáng)與貯氣瓶1外的壓強(qiáng)相等為P。，此時裝置6的顯示屏上顯示的壓強(qiáng)等于大氣壓P。。 關(guān)閉氣閥C3，C5，Ce，打開氣閥Q，c2，C;，通過打氣球4向裝置中充氣，可以看到充滿水的貯氣 瓶2中的水流向U型管2，將U型管中的氣體壓入貯氣瓶1中，待液位穩(wěn)定后，此時U型管中 液體的體積即為壓入貯氣瓶1中氣體的體積Vl，已知貯氣瓶1的容積為V。，讀出此時貯氣瓶 1內(nèi)的壓強(qiáng)值Pp則此時瓶內(nèi)的狀態(tài)為i"，v》，k = v。+vl.^v，k: (C為常數(shù))(1) c、關(guān)閉氣閥C2，C4，打開氣閥Ce，迅速打開關(guān)閉氣閥C3，因?yàn)闀r間短瓶內(nèi)氣體來不及
與外界進(jìn)行熱交換，故看成是絕熱過程，此時U型管中一側(cè)的液位有所下降v2，讀出此時瓶
內(nèi)壓強(qiáng)值Py此時瓶內(nèi)氣體的狀態(tài)II (P2， V2) ， V2 = V「v2. p2￥"2￥=c (C為常數(shù))(2) 由(1) (2) 二式帶入有氣體的絕熱方程得 =p2《 (3) 可以計(jì)算出氣體比熱容比
<formula>formula see original document page 7</formula> P工為狀態(tài)I瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)，k為狀態(tài)I時瓶內(nèi)氣體體積；P2為狀態(tài)II時瓶內(nèi)氣體 的壓強(qiáng)，V2為狀態(tài)II時瓶內(nèi)氣體的體積。
測量氣體比熱容比的原理如下 氣體比熱容比的定義為Y = Cp/Cv(Cp是氣體的定壓熱容，Cv為氣體的定體熱 容)，又在氣體絕熱過程中有PVY 二C(C為常數(shù))，可以得出絕熱過程的兩個狀態(tài)滿足P1V^
=g 因此，只要測出絕熱過程兩個狀態(tài)的體積和壓強(qiáng)，通過計(jì)算就可直接得出氣體比 熱容比。
權(quán)利要求
一種氣體比熱容比的測定裝置，其特征在于包括第一、第二貯氣瓶(1、2)，帶有刻度的U型管(3)，打氣球(4)，壓強(qiáng)傳感器(5)，數(shù)據(jù)測量及處理系統(tǒng)(6)，四個瓶塞(7、8、22、23)，四個三端口玻璃導(dǎo)管(14、15、16、17)，二端口玻璃導(dǎo)管(18)，固定座(20)以及六個旋塞式氣閥(9、10、11、12、13、21)，其中第五玻璃導(dǎo)管(18)的一端與打氣球(4)的出口接合、另一端穿過第三瓶塞(22)插入第二貯氣瓶(2)，二端口玻璃導(dǎo)管(18)的兩端分別設(shè)置第一、第二旋塞式氣閥(9、10)；第四三端口玻璃導(dǎo)管(17)的一端穿過第三瓶塞(22)插入第二貯氣瓶(2)、另一端穿過第四瓶塞(23)插入U型管(3)的一端、第三端設(shè)置第六旋塞式氣閥(21)，U型管(3)固定于固定座(20)上；第三三端口玻璃導(dǎo)管(16)的一端穿過第二瓶塞(8)插入U型管(3)的另一端、另一端通過第三旋塞式氣閥(11)與第二三端口玻璃導(dǎo)管(15)的一端接合、第三端通過第四旋塞式氣閥(12)與第一三端口玻璃導(dǎo)管(14)的一端接合；第一三端口玻璃導(dǎo)管(14)的另一端穿過第一瓶塞(7)插入第一貯氣瓶(1)、第三端設(shè)置壓強(qiáng)傳感器(5)，所述壓強(qiáng)傳感器(5)通過導(dǎo)線(19)與數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)(6)相連接；第二三端口玻璃導(dǎo)管(15)的另一端穿過第一瓶塞(7)插入第一貯氣瓶(1)、第三端設(shè)置第五旋塞式氣閥(13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體比熱容比的測定裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)(6)為單片機(jī)系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)測量、運(yùn)算處理、記錄和顯示模塊，其中測量模塊的輸入端接壓強(qiáng)傳感器(5)的輸出端，測量模塊、記錄模塊的輸出端分別接運(yùn)算處理模塊的輸入端，運(yùn)算處理模塊的輸出端接顯示模塊的輸入端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體比熱容比的測定裝置，其特征在于所述壓強(qiáng)傳感器(5)的型號為MS5540B。
4. 一種基于權(quán)利要求1所述的一種氣體比熱容比的測定裝置的測量方法，其特征在于包括如下步驟a、 在測量前首先檢查裝置的氣密性將第二貯氣瓶(2)中充滿水，打開第一至第五旋塞式氣閥(9、10、11、12、13)用打氣球(4)向第二貯氣瓶(2)中打氣，若有液體進(jìn)入U型管(3)中且出現(xiàn)了液位差，則第三旋塞式氣閥(11)之前裝置的氣密性良好；然后關(guān)閉旋塞式氣閥(9、10、12)打開旋塞式氣閥(11、13)，當(dāng)U型管(3)中的液位變化即一端液位上升、另一端下降，則所述測定裝置氣密性良好，否則所述測定裝置氣密性不良，檢查裝置直至所述測定裝置氣密性良好；b、 啟動數(shù)據(jù)測量與處理系統(tǒng)(6)，打開六個旋塞式氣閥(9、10、11、12、13、21)使得所述測定裝置中各處的大氣壓強(qiáng)與第一貯氣瓶(1)外的壓強(qiáng)相等為P。；關(guān)閉旋塞式氣閥(11、[13、21)，打開氣閥((9、10、12)，通過打氣球(4)向所述測定裝置中充氣，充滿水的貯氣瓶2中的水流向U型管(3)，將U型管(3)中的氣體壓入第一貯氣瓶(1)中，待液位穩(wěn)定后，此時U型管(3)中液體的體積即為壓入第一貯氣瓶(1)中氣體的體積^，已知第一貯氣瓶(1)的容積為V。，采用壓強(qiáng)傳感器(5)檢測得到此時第一貯氣瓶(1)內(nèi)的壓強(qiáng)值Pp則此時第一貯氣瓶(1)內(nèi)的氣體狀態(tài)為I (Pp V》，K = V。+Vl， PJ/ = C， C為常數(shù)，其中K為第一貯氣瓶(1)內(nèi)的氣體狀態(tài)為I時的體積；c、 關(guān)閉旋塞式氣閥(10、12)，打開旋塞式氣閥(21)，打開關(guān)閉的旋塞式氣閥(ll)，此時U型管(3)中另一端的液位下降^，采用壓強(qiáng)傳感器(5)檢測得到此時第一貯氣瓶(1)內(nèi)的壓強(qiáng)值P2，此時第一貯氣瓶(1)內(nèi)的氣體狀態(tài)為II(P2，V2)，V2 = Vrv^^V/ = C，C為常，數(shù)，帶入有氣體的絕熱方程PJ/ = P2V/計(jì)算出氣體比熱容比y = 2/ 、其中v2為第一貯氣瓶(1)內(nèi)的氣體狀態(tài)為II時的體積。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種氣體比熱容比的測定裝置及其測量方法，本發(fā)明所述裝置包括第一、第二貯氣瓶，帶有刻度的U型管，打氣球，壓強(qiáng)傳感器，數(shù)據(jù)測量及處理系統(tǒng)，四個瓶塞，四個三端口玻璃導(dǎo)管，二端口玻璃導(dǎo)管，固定座以及六個旋塞式氣閥。本發(fā)明所述方法通過檢測不同狀態(tài)下的U型管及貯氣瓶的參數(shù)，根據(jù)氣體的絕熱方程得到氣體比熱容比。本發(fā)明測量快速、便捷。
文檔編號G01N25/20GK101718726SQ200910232770
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者唐俏俏, 宋建平, 張開驍, 朱衛(wèi)華, 王吉東, 雷撼 申請人:河海大學(xué)