实验4－18用压力传感器和温度传感器32932.docx

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1、第五章 热学实验热学实验是大学物理实验中的重要内容。在理想热学实验中，应遵循两条基本原则：其一是保持系统为孤立系统；其二是测量一个系统的状态参量时，应保证系统处于平衡态。我们的实验内容设计了对空气的比热容比进行测定。5.1空空气比热热容比的的测定气体的定压压比热容与定容比热容之之比称为为气体的的绝热指指数，它它是一个个重要的热热力学常常数，在在热力学学方程中中经常用用到，本本实验用用新型扩扩散硅压压力传感感器测空空气的压压强，用用电流型型集成温温度传感感器测空空气的温温度变化化，从而而得到空空气的绝绝热指数数；要求求观察热热力学现现象，掌掌握测量量空气绝绝热指数数的一种种方法，并并了解压压力传

2、感感器和电电流型集集成温度度传感器器的使用用方法及及特性。【预习重点点】1了解理理想气体体物态方方程，知知道理想想气体的的等温及及绝热过过程特征征和过程程方程。2预习定定压比热热容与定定容比热热容的定定义，进而明明确二者者之比即即绝热指指数的定定义。3认真预预习实验验原理及及测量公公式。【实验目的的】1用绝热热膨胀法法测定空空气的比比热容比比。2观测热热力学过过程中状状态变化化及基本本物理规规律。3了解压压力传感感器和电电流型集集成温度度传感器器的使用用方法及及特性。【实验原理理】理想气体的的压强PP、体积积V和温度度T在准静静态绝热热过程中中，遵守守绝热过过程方程程：等于恒恒量，其其中是气气

3、体的定定压比热热容和定定容比热热容之比比，通常常称=为该气气体的比比热容比比（亦称称绝热指指数）。如图5.11.1所示，我我们以贮贮气瓶内内空气（近近似为理理想气体体）作为为研究的的热学系系统，试试进行如如下实验验过程。（1）首先先打开放放气阀AA，贮气气瓶与大大气相通通，再关关闭A，瓶内内充满与与周围空空气同温温（设为为）同压（设设为）的气体体。（2）打开开充气阀阀B，用充充气球向向瓶内打打气，充充入一定定量的气气体，然然后关闭闭充气阀阀B。此时时瓶内空空气被压压缩，压压强增大大，温度度升高。等等待内部部气体温温度稳定定，即达达到与周周围温度度平衡，此此时的气气体处于于状态II（,）。图5.

4、1.1 试验装置简图（3）迅速速打开放放气阀AA，使瓶瓶内气体体与大气气相通，当当瓶内压压强降至至时，立立刻关闭闭放气阀阀A，将有有体积为V的气体体喷泻出出贮气瓶瓶。由于于放气过过程较快快，瓶内内保留的的气体来来不及与与外界进进行热交交换，可可以认为为是一个个绝热膨膨胀的过过程。在在此过程程后瓶中中的气体体由状态态I（,）转变为为状态III（,）。为贮贮气瓶容容积，为保保留在瓶瓶中这部部分气体体在状态态I（,）时的的体积。（4）由于于瓶内气气体温度度低于室室温，所所以瓶内内气体慢慢慢从外外界吸热热，直至至达到室室温为止，此此时瓶内内气体压压强也随随之增大大为。则则稳定后后的气体体状态为为III

5、I（,）。从从状态III状态IIII的的过程可可以看作作是一个个等容吸吸热的过过程。由由状态IIIIIIII的过程程如图55.1.2所示。图5.1.2 气体状态变化及P-V图III是是绝热过过程，由由绝热过过程方程程得（5.1.1）状态I和状状态IIII的温温度均为为T0，由气气体状态态方程得得（5.1.2）合并式（55.1.1）、式（55.1.2），消去去V1、V2得（5.1.3）由式（5.1.33）可以以看出，只只要测得得、就可求求得空气气的绝热热指数。【实验仪器器】一、FD-NCDD型空气气比热容容比测定定仪本实验采用用的FD-NCDD型空气气比热容容比测定定仪由扩散硅硅压力传传感器、A

6、D590集成温度传感器、电源、容积为1000ml左右玻璃瓶、打气球及导线等组成。如图5.1.3、图5.1.4所示。图5.1.3 FD-NCD空气比热容比测定仪1.充气阀阀B 22.扩散散硅压力力传感器器3.放放气阀AA 44.瓶塞塞5.AAD5990集成成温度传传感器66.电源源 （详详见图5.1.44）7. 贮气气玻璃瓶瓶8.打打气球图5.1.4 测定仪电源面板示意图绝热膨胀1.压力传传感器接接线端口口2.调调零电位位器旋钮钮3.温温度传感感器接线线插孔4.四位半半数字电电压表面面板（对对应温度度）5.三位半半数字电电压表面面板（对对应压强强）1AD5590集集成温度度传感器器AD5900是

7、一种种新型的的半导体体温度传传感器，测测温范围围为-550C1500C。当当施加4V30VV的激励励电压时时，这种种传感器器起恒流流源的作作用，其其输出电电流与传传感器所所处的温温度成线线性关系系。如用用摄氏度度t表示温温度,则则输出电电流为 （5.1.4）=1A/C 对于于I0，其值从从27332788A略略有差异异。本实实验所用用AD5590也也是如此此。AD5590输输出的电电流I可以以在远距距离处通通过一个个适当阻阻值的电电阻R，转化化为电压压U，由公公式IU/R算出输输出的电电流，从从而算出出温度值值。如图图5.11.5。若串串接5KK电阻后，可可产生55C的的信号电电压，接接02V

8、量程程四位半半数字电电压表,最小可检检测到00.022C温温度变化化。2扩散硅硅压力传传感器图5.1.5 AD590电路简图扩散硅压力力传感器器是把压压强转化化为电信信号，最最终由同同轴电缆缆线输出出信号，与与仪器内内的放大大器及三三位半数数字电压压表相接接。它显显示的是是容器内内的气体体压强大大于容器器外环境境大气压压的压强强差值。当待测气体压强为P0+10.00KPa时，数字电压表显示为200mV，仪器测量气体压强灵敏度为20mV/KPa，测量精度为5Pa。可得测量公式：P1=P00+U/20000 (55.1.5)其中电压UU的单位位为mVV，压强强P1、P0的单位位为1005Pa二、气

9、压计计该气压计用用来观测测环境气气压。三、水银温温度计【实验内容容】1.打开放放气阀AA，按图5.1.44连接电电路，集集成温度度传感器器的正负负极请勿勿接错，电电源机箱箱后面的的开关拨拨向内。用用气压计计测定大大气压强强，用水水银温度度计测环环境室温温。开启启电源，让让电子仪仪器部件件预热220分钟钟，然后后旋转调调零电位位器旋钮钮，把用用于测量量空气压压强的三三位半数数字电压压表指示示值调到到“0”，并记记录此时时四位半半数字电电压表指指示值。2.关闭放放气阀AA，打开充气气阀B，用充充气球向向瓶内打气气，使三位位半数字字电压表表示值升升高到1100mmV1500mV。然后关闭充气阀B，观

10、察、的变化，经历一段时间后，、指示值不变时，记下（，），此时瓶内气体近似为状态I（,）。注：对应的温度值为T.3.迅速打打开放气气阀A，使瓶内内气体与与大气相相通，由由于瓶内内气压高高于大气气压，瓶瓶内V体积的的气体将将突然喷喷出,发发出“嗤”的声音音。当瓶瓶内空气气压强降降至环境境大气压压强时（放气气声刚结结束），立立刻关闭闭放气阀阀A，这时时瓶内气气体温度度降低，状状态变为为II。4.当瓶内内空气的的温度上上升至温温度T时，且压压强稳定定后，记记下（，）此时瓶瓶内气体体近似为状态IIII（,）。5.打开放放气阀AA,使贮气气瓶与大大气相通通，以便便于下一一次测量。6.把测得得的电压压值、（

11、以mVV为单位位）填入入如下数数据表格格，依公公式（55.1.5）计算算气压值值、依（5.1.3）式计算空气的绝热指数值。测量值/mmV计算值状态 I状态IIIIP/1055Pa7.重复步步骤24，重重复3次测量量，比较较多次测测量中气气体的状状态变化化有何异异同，并并计算。【注意事项项】1.实验中中贮气玻玻璃瓶及及各仪器器应放于于合适位位置，最最好不要要将贮气气玻璃瓶瓶放于靠靠桌沿处处，以免免打破。2.转动充充气阀和和放气阀阀的活塞塞时，一一定要一一手扶住住活塞，另另一只手手转动活活塞，避避免损坏坏活塞。3.实验前前应检查查系统是是否漏气气，方法法是关闭闭放气阀阀A，打开开充气阀阀B，用充充

12、气球向向瓶内打打气，使使瓶内压压强升高高10000Paa20000Paa左右(对对应电压压值为220mVV400mV)，关闭充充气阀BB，观察压压强是否否稳定，若若始终下下降则说说明系统统有漏气气之处，须须找出原原因。4.做好本本实验的的关键是是放气要要进行的的十分迅迅速。即即打开放放气阀后后又关上上放气阀阀的动作作要快捷捷，使瓶瓶内气体体与大气气相通要要充分且且尽量快快底完成成。注意意记录电电压值。【思考题】1.本实验验研究的的热力学学系统，是是指那部部分气体体？2. 实验验内容22中的TT值一定定与初始始时室温温相等吗吗？为什什么？若若不相等等，对有有何影响响？3.实验时时若放气气不充分分

13、，则所所得值是是偏大还还是偏小小？为什什么？【讨论】在上面的实实验中，环环境温度度(室温温)假设设为是恒值。瓶瓶中气体体处于室室温不变变情况下下而得出出测量公公式（55.1.3）。实实际测量量中，室室温是波波动的，高高灵敏度测温温传感器器观测时时（如本本实验所所用的AAD5990，温温度每变变化0.02C，电电压变化化0.11mV），这种种变化很很明显。那那么，PP1 ,P2 值短短时间内内不易读读取。为了得出更更细致的的测量公公式，让让我们再再回顾瓶瓶内气体体状态变变化过程程：设充气前室室温为，充充气后，瓶瓶内气体体平衡时时室温为为，气体体状态为为I（,）放气后后，绝热热膨胀，气气体状态态为

14、III（，），等等容吸热热瓶内气气体平衡衡时室温温为，气气体状态态变为IIII（，），其其中为贮贮气瓶容容积，为为保留在在瓶中这这部分气气体在状状态I（，）时的体积。瓶内气体状态变化为：绝热膨胀等容吸热I（,）II（，） IIII（，）III是是绝热过过程，由由绝热过过程方程程得I、 III两状状态，由由理想气气体状态态方程得得n为气体的的摩尔数数，R为气体体的普适适常数合并上三式式，消去去V1、V2得 （5.1.66）由式（5.1.66）可知知，只要要测得、就可求求得空气气的。很显然然，用现现有仪器器只能得得出、的粗略略值，那那么用公公式（55.1.6）将将毫无意意义。为为了得出出温度的的较精确确而直观观值，需需要解决决这样两两个问题题：1.定出测测量公式式（5.1.44）中的的I0具体值值；2.把温度度传感器器改装成成为真正正的数字字温度计计。- 11 -