專利名稱：一種測量不同溫度下空氣的比熱容比的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于實驗教學領(lǐng)域，涉及一種測量空氣比熱容比的裝置，特別涉及一種測 量不 同溫度下空氣的比熱容比的裝置，以及利用此裝置進行不同溫度下空氣比熱容比測量 的方法。
背景技術(shù)：
通常情況下，同種物質(zhì)可以有不同的比熱容，物質(zhì)的比熱容不僅與溫度有強烈的 依賴關(guān)系，而且還取決于外界對物質(zhì)本身所施加的約束。當壓力恒定時可得物質(zhì)的比定壓 熱容Cp，體積一定時可得物質(zhì)的比定容熱容Cv。氣體的比定壓熱容Cp與比定容熱容Cv之 比稱為該氣體的比熱容比(用Y表示)，比熱容比在熱力學過程特別是絕熱過程中是一個 很重要的參數(shù)?！洞髮W物理實驗》是工科和理科本科生的必修課程之一，而《空氣比熱容比 測量》這一熱力學實驗在我國許多高校的《大學物理實驗》中開設(shè)率較高，一般采用絕熱膨 脹法測定空氣的比熱容比。空氣比熱容比測量裝置由如下幾個部分組成儲氣瓶(包括玻 璃瓶、進氣活塞、橡皮塞)、兩只傳感器(擴散硅壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器各一 只)、測空氣壓強的數(shù)字電壓表、測空氣溫度的數(shù)字溫度表。該實驗設(shè)備使用率高，修讀大學 物理實驗課程的同學大部分都會選作。在指導《空氣比熱容比測量》實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)本實驗所采用的現(xiàn)有測量空比熱 容比的裝置存在以下不足一是由該裝置所測得的空氣比熱容比值僅為某一時段內(nèi)室溫條 件下的值，而氣體比熱容比是一個隨著氣體溫度變化而改變的物理量，本實驗設(shè)備無法反 映這一物理現(xiàn)象；二是本實驗整個過程在3個小時以上，期間室溫由于各種原因是不斷變 化的，即無法保證室溫維持在某一固定溫度，也就無法確切得到某一溫度下的空氣比熱容 比值；三是本實驗現(xiàn)有設(shè)備中儲氣瓶內(nèi)的氣體處于密封狀態(tài)，瓶內(nèi)溫度與瓶外溫度的平衡 過程比較長，必須等待瓶內(nèi)氣體狀態(tài)完全穩(wěn)定后才能讀數(shù)，降低了學生的學習效率。以上不 足削弱了該實驗本應取得的教學效果，也是學生針對本實驗所反映的焦點問題之一，如能 克服上述不足，不僅能豐富本實驗的教學內(nèi)容，而且還能提高同學們對本實驗的積極性，保 證教學效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量不同溫度下空氣的比熱容 比的裝置以及利用此裝置進行不同溫度下空氣比熱容比測量的方法。所述測量不同溫度下空氣的比熱容比的裝置的具體技術(shù)方案為，一種可在不同溫 度下測量空氣比熱容比的裝置，包括儲氣瓶、置于瓶內(nèi)的壓力傳感器和溫度傳感器，所述儲 氣瓶上固定有加氣部件及放氣部件，其特征在于，還包括一個設(shè)置在儲氣瓶周圍的顯溫控 溫裝置，該顯溫控溫裝置包括熱浴容器、電加熱器件、溫度傳感器和微控制器，其中溫度傳 感器固定放置在熱浴容器內(nèi)用于實時測量其溫度并反饋給微控制器，微控制器與電加熱器 件、溫度傳感器電連接。
上述比熱容比測量裝置中增加的顯溫控溫裝置的熱浴介質(zhì)采用水或油，瓶內(nèi)空氣 溫度的改變可以通過改變水溫或油溫來實現(xiàn)，而水溫或油溫可以通過傳感器系統(tǒng)保持在較 準確的范圍內(nèi)，當溫度低于最低設(shè)定溫度，電加熱器自動開啟；當溫度高于最高設(shè)定溫度， 電加熱器自動關(guān)閉。該裝置還可以通過數(shù)碼管或LCD或發(fā)光二極管對溫度進行實時顯示， 使溫度信息更加直觀，方便使用者。所述壓力傳感器為數(shù)字擴散硅壓力傳感器，所述溫度傳感器為數(shù)字半導體溫度傳 感器。所述加氣和放氣部件通過設(shè)置在儲氣瓶口的橡皮塞固定，加氣部件為打氣球，打氣球 與儲氣瓶之間還設(shè)置有一個進氣閥門；放氣部件為氣閥活塞。本發(fā)明所述測量不同溫度下空氣比熱容比的方法，使用安裝有上述顯溫控溫裝置 的比熱容比測量裝置，所述測量不同溫度下空氣比熱容比的方法包括以下步驟1)裝置正常待機后，打開儲氣瓶上放氣部件，使瓶內(nèi)壓強與外部環(huán)境大氣壓強Ptl平衡；通過顯溫控溫裝置的微控制器設(shè)定熱浴保溫溫度Ttl，并等待溫度穩(wěn)定至Ttl ；2)關(guān)閉儲氣瓶的放氣部件，通過加氣部件將空氣壓入儲氣瓶，等待瓶內(nèi)空氣溫度恢復至Ttl，記錄此時瓶內(nèi)空氣壓強P1 ；3)迅速打開放氣部件，當儲氣瓶中空氣的壓強下降至環(huán)境大氣壓強Ptl時，迅速關(guān) 閉放氣部件；待儲氣瓶內(nèi)溫度恢復至Ttl，記錄此時瓶內(nèi)空氣壓強P2 ；
(IqP4)通過公式計算溫度為Ttl時的空氣比熱容比Z = ,W ,‘；
(IgP2 -IgP1)5)打開儲氣瓶上放氣部件，使瓶內(nèi)壓強與外部環(huán)境大氣壓強Ptl平衡；通過顯溫控 溫裝置的微控制器設(shè)定熱浴保溫溫度T1，并等待溫度穩(wěn)定至T1 ；重復上述步驟2至4，得到 另一溫度T1時的空氣比熱容比。為了使測量結(jié)果更加準確，可采用多次測量求平均值的方法，多次重復上述步驟 1至4，即可得到多組同一溫度下的空氣比熱容比值，然后通過求其平均值來提高測量準確度。采用水作為熱浴介質(zhì)，可測得室溫至水的沸點溫度下的空氣比熱容比值；采用油 作為熱浴介質(zhì)，可測溫度范圍則可以更寬。本發(fā)明所述測量不同溫度下空氣的比熱容比的裝置具有如下有益效果1、通過在現(xiàn)有空氣比熱容比測量裝置基礎(chǔ)上增加顯溫控溫裝置，可以提供一個溫度可變的環(huán)境，從而進行不同溫度下的空氣比熱容比的測量。2、通過在現(xiàn)有空氣比熱容比測量裝置基礎(chǔ)上增加顯溫控溫裝置，可以保證氣瓶內(nèi)空氣溫度保持在一個較準確的范圍內(nèi)，而不是隨著室溫的變化而變化。3、該裝置還可以對溫度進行實時顯示，同時縮短每次瓶內(nèi)溫度與瓶外溫度的平衡時間。4、該裝置增加了一套顯溫控溫裝置，可以豐富本實驗的儀器方面的教學內(nèi)容，提高學生的學習積極性。另外，本發(fā)明所述裝置保持了現(xiàn)有設(shè)備簡捷、直觀且操作性強等特點；同時縮短實驗時間，使實驗數(shù)據(jù)更加準確，降低了實驗誤差，并且可以提高學生的積極性，激發(fā)其創(chuàng)造 性。本發(fā)明所述測量不同溫度下空氣的比熱容比的方法具有如下有益效果
1、本發(fā)明所述方法為不同溫度下空氣的比熱容比的測量提供了一種切實可行的 技術(shù)方案，通過在現(xiàn)有空氣比熱容比測量裝置基礎(chǔ)上增加顯溫控溫裝置，可以提供一個溫 度可變的環(huán)境，從而進行不同溫度下的空氣比熱容比的測量。2、本發(fā)明所述方法所測得的空氣比熱容比為某一固定溫度下的值，而不是在室溫 這一不確定的溫度下所進行的測量，通過在現(xiàn)有空氣比熱容比測量裝置基礎(chǔ)上增加顯溫控 溫裝置，可以保證空氣溫度保持在一個較準確的范圍內(nèi)，而不是隨著室溫的變化而變化。3、通過對不同溫度下空氣比熱容比的測量，可以進一步提高同學們對比熱容比這 一重要物理量的認識。


圖1是實施例1所描述的測量不同溫度下空氣比熱容比的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 中，1-儲氣瓶，2-壓力傳感器，3-溫度傳感器，4-充氣閥門，5-打氣球，6-放氣閥門，7-水浴 容器，8-水，9-電加熱器件，10-溫度傳感器，11-環(huán)形固定木板，12-通氣孔。圖2是實施例2所測得的不同溫度下空氣比熱容比對溫度變化的曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖通過實施例來對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例1測量不同溫度下空氣比熱容比的裝置本實施例中，測量不同溫度下空氣比熱容比的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包 括比熱容比測量部分及水浴裝置部分。比熱容比測量部分包括儲氣瓶1、壓力傳感器2、測 氣溫溫度傳感器3、充氣閥門4、打氣球5、放氣閥門6，各構(gòu)件安裝方式為壓力傳感器2和 測氣溫溫度傳感器3置于儲氣瓶內(nèi)，穿過儲氣瓶口的橡皮塞并密封固定，充氣閥門4及放氣 閥門6同樣穿過儲氣瓶口的橡皮塞并密封固定，充氣閥門4的另一端連接有打氣球5。壓 力傳感器2與數(shù)字電壓表電連接，當待測空氣壓強為環(huán)境大氣壓強Ptl時，數(shù)字電壓表顯示 為OmV，當待測空氣壓強為PdlOKPa時，數(shù)字電壓表顯示為200mV，測量氣體壓強靈敏度為 20mV/KPa，測量精度為5Pa。測氣溫溫度傳感器3為AD590電流型集成溫度傳感器，溫度測 量靈敏度高，線性好，測溫范圍為-50-150°C。AD590與6V直流電源及5ΚΩ電阻串接后， 可在電阻兩端產(chǎn)生5mV/°C的信號電壓，再通過0-1.999V量程四位半數(shù)字電壓表，可檢測到 0. 02 °C的溫度變化。水浴裝置部分包括水浴容器7，電加熱器9，測水溫溫度傳感器10，固定木板11，測 水溫溫度傳感器10固定放置在水浴容器7內(nèi)用于實時測量其水溫并反饋給微控制器，微控 制器與電加熱器件9、測水溫溫度傳感器10電連接。測水溫溫度傳感器為PtlOO，微控制器 為CD708型，控溫精度為士 1°C，過數(shù)碼管對溫度進行實時顯示。瓶內(nèi)空氣溫度的改變可以 通過改變水溫來實現(xiàn)，而水溫可以通過傳感器系統(tǒng)保持在較準確的范圍內(nèi)，當溫度低于最 低設(shè)定溫度，電加熱器10自動開啟；當溫度高于最高設(shè)定溫度，電加熱器10自動關(guān)閉。為了將儲氣瓶1固定在水中，在水浴容器7頂端安裝了固定支架，所述固定支架由 木板裁剪拼接而成，并固定在水浴容器上，中間部分開一圓孔，與儲氣瓶的瓶口外徑大小適 配，使儲氣瓶壓在支架下面而不會上下移動；另在水浴容器中部加裝了環(huán)形固定木板11， 該環(huán)形固定木板置于水浴容器的中部，內(nèi)環(huán)與儲氣瓶外壁大小適合，外環(huán)與水浴容器內(nèi)壁大小適配，可防止儲氣瓶左右移動?？紤]到一個電加熱器會導致加熱不均，可以設(shè)置三個電 加熱器，兩個對稱放置在水中，固定在在中間木板上，另外一個置于水浴容器底部，從而使 得加熱均勻。另外在固定支架上有一個或多個氣孔12，方便水蒸汽排除，并且可以方便的補 充由于蒸發(fā)而損失掉的水。實施例2測量不同溫度下空氣比熱容比的方法本實施例所述測量不同溫度下空氣比熱容比的方法使用實施例1所述裝置。測量 不同溫度下的空氣比熱容比可以通過重復測量不同特定溫度下空氣比熱容比的值來實現(xiàn)。實驗步驟為(1)裝置正常待機后，打開放氣閥門6，儲氣瓶1與大氣相通，在微控制器⑶708上 設(shè)定所要測量的特定溫度Ttl，通過微控制器控制電加熱器9。當溫度低于所設(shè)溫度，加熱器 9開始工作，待溫度達到所設(shè)溫度時，電加熱器9停止加熱，如此反復，使系統(tǒng)保持在設(shè)定的 溫度Ttl的士 1°C范圍內(nèi)。(2)關(guān)閉放氣閥門6，打開充氣閥門4，用打氣球5向儲氣瓶1內(nèi)打氣，充入一定量 的氣體，然后關(guān)閉充氣閥4。此時瓶內(nèi)空氣被壓縮，壓強增大，溫度升高。等待內(nèi)部氣體溫度 穩(wěn)定，即達到與系統(tǒng)溫度平衡，此時的氣體處于狀態(tài)I (P1, V1, Ttl )。記錄此時瓶內(nèi)空氣壓強
P1Q(3)迅速打開放氣閥門6，使瓶內(nèi)氣體與大氣相通，當瓶內(nèi)壓強降至Ptl時，立刻關(guān) 閉放氣閥門6，將體積為△ V的氣體噴瀉出儲氣瓶1 (注打開放氣閥門6放氣時，當聽到放 氣聲將結(jié)束時應迅速關(guān)閉放氣閥門6)。由于放氣過程較快，瓶內(nèi)保留的氣體來不及與外界 進行熱交換，可以認為是一個絕熱膨脹的過程。在此過程后瓶中的氣體由狀態(tài)I(P1JnTtl) 轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)II (Pci, V2, T1)。由于瓶內(nèi)氣體溫度T1低于系統(tǒng)溫度Ttl，所以瓶內(nèi)氣體慢慢從外 界吸熱，直至達到瓶內(nèi)氣溫與系統(tǒng)溫度Ttl平衡為止，此時瓶內(nèi)氣體壓強也隨之增大為P2。則 穩(wěn)定后的氣體狀態(tài)為III(PyVyTtl)。從狀態(tài)II —狀態(tài)III的過程可以看作是一個等容吸 熱的過程。記錄此時瓶內(nèi)空氣壓強P2。(4)狀態(tài)I — II是絕熱過程，由絕熱過程方程得，7=P。G (公式 1)狀態(tài)I和狀態(tài)III的溫度均為Ttl，由氣體狀態(tài)方程得P1V1 = P2V2(公式 2)合并公式(1)、⑵，消去V1, V2得廠^^^(公式 3) (IgP2 -IgO由公式(3)即計算出溫度為Ttl時的空氣比熱容比Y。(5)重復以上步驟(1)44)進行6次測量(也可以是5次或10次等)求平均值。(6)重新設(shè)定溫度，重復以上步驟(1)_(5)進行測量不同溫度下的空氣比熱容比
Y ο實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果本實施例進行了溫度分別為20°C、40°C、6(rC、8(rC時的空氣比熱容比的測量。表
1為實驗數(shù)據(jù)原始記錄及計算結(jié)果，每一溫度重復測量了 6次，壓強的換算公式為
其中P’為壓強相對應的電壓值，單位為mV。將每一相同溫度下的6個空氣比熱容比Y中的最大值和最小值去掉，求出空氣比
熱容比的平均值}^及其A類不確定度，所得數(shù)據(jù)如表2所示。以溫度為橫坐標，以空氣比熱
容比的平均值^作曲線圖，如圖2所示。A類不確定度的計算公式為μΑ =一幻2 (公式 5)表1不同溫度下測量空氣比熱容比的原始數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果 表2不同溫度下空氣比熱容比的平均值^及其A類不確定度 從以上數(shù)據(jù)及圖2可知，空氣在不同溫度下它的比熱容比是不相同的，并且有一 定的變化規(guī)律，即空氣的比熱容比隨溫度的升高而減小，而減小的速率也隨溫度的變化而 發(fā)生改變。
權(quán)利要求
一種測量不同溫度下空氣比熱容比的裝置，包括儲氣瓶、置于瓶內(nèi)的壓力傳感器和測氣溫溫度傳感器，所述儲氣瓶上固定有加氣部件及放氣部件，其特征在于，還包括一個設(shè)置在儲氣瓶周圍的顯溫控溫裝置，該顯溫控溫裝置包括熱浴容器、電加熱器件、測浴溫溫度傳感器和微控制器，其中電加熱器件及測浴溫溫度傳感器固定放置在熱浴容器內(nèi)并與微控制器電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量不同溫度下空氣比熱容比的裝置，其特征在于所述顯溫 控溫裝置的熱浴介質(zhì)為水或油。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量不同溫度下空氣比熱容比的裝置，其特征在于所述壓力 傳感器為數(shù)字擴散硅壓力傳感器，所述測氣溫溫度傳感器為數(shù)字半導體溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量不同溫度下空氣比熱容比的裝置，其特征在于所述加氣 部件和放氣部件通過設(shè)置在儲氣瓶口的橡皮塞固定，加氣部件為打氣球，打氣球與儲氣瓶 之間設(shè)置有一個進氣閥門。
5.一種測量不同溫度下空氣比熱容比的方法，其特征在于使用權(quán)利要求1至4中任一 項權(quán)利要求所述的比熱容比測量裝置，包括以下步驟1)裝置正常待機后，打開儲氣瓶上放氣部件，使瓶內(nèi)壓強與外部大氣壓強Ptl平衡；通 過顯溫控溫裝置的微控制器設(shè)定熱浴保溫溫度Ttl，并等待溫度穩(wěn)定至Ttl ；2)關(guān)閉儲氣瓶的放氣部件，通過加氣部件將空氣壓入儲氣瓶，等待瓶內(nèi)空氣溫度再次 恢復至Ttl，記錄此時瓶內(nèi)空氣壓強P1 ；3)迅速打開放氣部件，當儲氣瓶中空氣的壓強下降至外部大氣壓強Ptl時，迅速關(guān)閉放 氣部件；待儲氣瓶內(nèi)溫度再次恢復至Ttl，記錄此時瓶內(nèi)空氣壓強P2 ；4)通過公式計算溫度為T。時的空氣比熱容比，計算公式為7二；(IgP2 -IgP1)5)打開儲氣瓶上放氣部件，使瓶內(nèi)壓強與外部大氣壓強Ptl平衡；通過顯溫控溫裝置的 微控制器設(shè)定不同于步驟(1)中溫度Ttl的熱浴保溫溫度T1,并等待溫度穩(wěn)定至T1 ；重復上 述步驟2至4，并使每次恢復溫度均為T1,得到另一溫度T1時的空氣比熱容比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量不同溫度下空氣比熱容比的方法，其特征在于多次重復 權(quán)利要求5所述的步驟1至4，得到多組同一溫度下的空氣比熱容比值，然后通過求其平均 值來提高測量準確度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量不同溫度下空氣比熱容比的方法，其特征在于所述熱浴 介質(zhì)為水，測量溫度在室溫至水的沸點范圍之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量不同溫度下空氣比熱容比的方法，其特征在于所述測量 溫度在室溫至80°C之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種測量不同溫度下空氣的比熱容比的裝置，包括儲氣瓶、置于瓶內(nèi)的壓力傳感器和測氣溫溫度傳感器，所述儲氣瓶上固定有加氣部件及放氣部件，其特征在于，還包括一個設(shè)置在儲氣瓶周圍的顯溫控溫裝置，該顯溫控溫裝置包括熱浴容器、電加熱器件、測浴溫溫度傳感器和微控制器，其中電加熱器件及測浴溫溫度傳感器固定放置在熱浴容器內(nèi)并與微控制器電連接。本發(fā)明還提供一種使用上述裝置測量不同溫度下空氣比熱容比的方法。此裝置及方法可以保證空氣溫度保持在一個較準確的范圍內(nèi)，豐富了實驗教學內(nèi)容，提高了學生學習積極性。
文檔編號G01N25/20GK101840650SQ201010148139
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者馮先富, 劉斌, 常相輝, 張永文, 王輝, 邱春蓉 申請人:西南交通大學