专利名称：一种测量不同温度下空气的比热容比的装置及方法
技术领域：
本发明属于实验教学领域，涉及一种测量空气比热容比的装置，特别涉及一种测 量不 同温度下空气的比热容比的装置，以及利用此装置进行不同温度下空气比热容比测量 的方法。
背景技术：
通常情况下，同种物质可以有不同的比热容，物质的比热容不仅与温度有强烈的 依赖关系，而且还取决于外界对物质本身所施加的约束。当压力恒定时可得物质的比定压 热容Cp，体积一定时可得物质的比定容热容Cv。气体的比定压热容Cp与比定容热容Cv之 比称为该气体的比热容比(用Y表示)，比热容比在热力学过程特别是绝热过程中是一个 很重要的参数。《大学物理实验》是工科和理科本科生的必修课程之一，而《空气比热容比 测量》这一热力学实验在我国许多高校的《大学物理实验》中开设率较高，一般采用绝热膨 胀法测定空气的比热容比。空气比热容比测量装置由如下几个部分组成储气瓶(包括玻 璃瓶、进气活塞、橡皮塞)、两只传感器(扩散硅压力传感器和电流型集成温度传感器各一 只)、测空气压强的数字电压表、测空气温度的数字温度表。该实验设备使用率高，修读大学 物理实验课程的同学大部分都会选作。在指导《空气比热容比测量》实验的过程中，发现本实验所采用的现有测量空比热 容比的装置存在以下不足一是由该装置所测得的空气比热容比值仅为某一时段内室温条 件下的值，而气体比热容比是一个随着气体温度变化而改变的物理量，本实验设备无法反 映这一物理现象；二是本实验整个过程在3个小时以上，期间室温由于各种原因是不断变 化的，即无法保证室温维持在某一固定温度，也就无法确切得到某一温度下的空气比热容 比值；三是本实验现有设备中储气瓶内的气体处于密封状态，瓶内温度与瓶外温度的平衡 过程比较长，必须等待瓶内气体状态完全稳定后才能读数，降低了学生的学习效率。以上不 足削弱了该实验本应取得的教学效果，也是学生针对本实验所反映的焦点问题之一，如能 克服上述不足，不仅能丰富本实验的教学内容，而且还能提高同学们对本实验的积极性，保 证教学效果。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量不同温度下空气的比热容 比的装置以及利用此装置进行不同温度下空气比热容比测量的方法。所述测量不同温度下空气的比热容比的装置的具体技术方案为，一种可在不同温 度下测量空气比热容比的装置，包括储气瓶、置于瓶内的压力传感器和温度传感器，所述储 气瓶上固定有加气部件及放气部件，其特征在于，还包括一个设置在储气瓶周围的显温控 温装置，该显温控温装置包括热浴容器、电加热器件、温度传感器和微控制器，其中温度传 感器固定放置在热浴容器内用于实时测量其温度并反馈给微控制器，微控制器与电加热器 件、温度传感器电连接。
上述比热容比测量装置中增加的显温控温装置的热浴介质采用水或油，瓶内空气 温度的改变可以通过改变水温或油温来实现，而水温或油温可以通过传感器系统保持在较 准确的范围内，当温度低于最低设定温度，电加热器自动开启；当温度高于最高设定温度， 电加热器自动关闭。该装置还可以通过数码管或LCD或发光二极管对温度进行实时显示， 使温度信息更加直观，方便使用者。所述压力传感器为数字扩散硅压力传感器，所述温度传感器为数字半导体温度传 感器。所述加气和放气部件通过设置在储气瓶口的橡皮塞固定，加气部件为打气球，打气球 与储气瓶之间还设置有一个进气阀门；放气部件为气阀活塞。本发明所述测量不同温度下空气比热容比的方法，使用安装有上述显温控温装置 的比热容比测量装置，所述测量不同温度下空气比热容比的方法包括以下步骤1)装置正常待机后，打开储气瓶上放气部件，使瓶内压强与外部环境大气压强Ptl平衡；通过显温控温装置的微控制器设定热浴保温温度Ttl，并等待温度稳定至Ttl ；2)关闭储气瓶的放气部件，通过加气部件将空气压入储气瓶，等待瓶内空气温度恢复至Ttl，记录此时瓶内空气压强P1 ；3)迅速打开放气部件，当储气瓶中空气的压强下降至环境大气压强Ptl时，迅速关 闭放气部件；待储气瓶内温度恢复至Ttl，记录此时瓶内空气压强P2 ；
(IqP4)通过公式计算温度为Ttl时的空气比热容比Z = ,W ,‘；
(IgP2 -IgP1)5)打开储气瓶上放气部件，使瓶内压强与外部环境大气压强Ptl平衡；通过显温控 温装置的微控制器设定热浴保温温度T1，并等待温度稳定至T1 ；重复上述步骤2至4，得到 另一温度T1时的空气比热容比。为了使测量结果更加准确，可采用多次测量求平均值的方法，多次重复上述步骤 1至4，即可得到多组同一温度下的空气比热容比值，然后通过求其平均值来提高测量准确度。采用水作为热浴介质，可测得室温至水的沸点温度下的空气比热容比值；采用油 作为热浴介质，可测温度范围则可以更宽。本发明所述测量不同温度下空气的比热容比的装置具有如下有益效果1、通过在现有空气比热容比测量装置基础上增加显温控温装置，可以提供一个温度可变的环境，从而进行不同温度下的空气比热容比的测量。2、通过在现有空气比热容比测量装置基础上增加显温控温装置，可以保证气瓶内空气温度保持在一个较准确的范围内，而不是随着室温的变化而变化。3、该装置还可以对温度进行实时显示，同时缩短每次瓶内温度与瓶外温度的平衡时间。4、该装置增加了一套显温控温装置，可以丰富本实验的仪器方面的教学内容，提高学生的学习积极性。另外，本发明所述装置保持了现有设备简捷、直观且操作性强等特点；同时缩短实验时间，使实验数据更加准确，降低了实验误差，并且可以提高学生的积极性，激发其创造 性。本发明所述测量不同温度下空气的比热容比的方法具有如下有益效果
1、本发明所述方法为不同温度下空气的比热容比的测量提供了一种切实可行的 技术方案，通过在现有空气比热容比测量装置基础上增加显温控温装置，可以提供一个温 度可变的环境，从而进行不同温度下的空气比热容比的测量。2、本发明所述方法所测得的空气比热容比为某一固定温度下的值，而不是在室温 这一不确定的温度下所进行的测量，通过在现有空气比热容比测量装置基础上增加显温控 温装置，可以保证空气温度保持在一个较准确的范围内，而不是随着室温的变化而变化。3、通过对不同温度下空气比热容比的测量，可以进一步提高同学们对比热容比这 一重要物理量的认识。


图1是实施例1所描述的测量不同温度下空气比热容比的装置的结构示意图。图 中，1-储气瓶，2-压力传感器，3-温度传感器，4-充气阀门，5-打气球，6-放气阀门，7-水浴 容器，8-水，9-电加热器件，10-温度传感器，11-环形固定木板，12-通气孔。图2是实施例2所测得的不同温度下空气比热容比对温度变化的曲线图。
具体实施例方式下面结合附图通过实施例来对本发明作进一步详细说明。实施例1测量不同温度下空气比热容比的装置本实施例中，测量不同温度下空气比热容比的装置的结构示意图如图1所示，包 括比热容比测量部分及水浴装置部分。比热容比测量部分包括储气瓶1、压力传感器2、测 气温温度传感器3、充气阀门4、打气球5、放气阀门6，各构件安装方式为压力传感器2和 测气温温度传感器3置于储气瓶内，穿过储气瓶口的橡皮塞并密封固定，充气阀门4及放气 阀门6同样穿过储气瓶口的橡皮塞并密封固定，充气阀门4的另一端连接有打气球5。压 力传感器2与数字电压表电连接，当待测空气压强为环境大气压强Ptl时，数字电压表显示 为OmV，当待测空气压强为PdlOKPa时，数字电压表显示为200mV，测量气体压强灵敏度为 20mV/KPa，测量精度为5Pa。测气温温度传感器3为AD590电流型集成温度传感器，温度测 量灵敏度高，线性好，测温范围为-50-150°C。AD590与6V直流电源及5ΚΩ电阻串接后， 可在电阻两端产生5mV/°C的信号电压，再通过0-1.999V量程四位半数字电压表，可检测到 0. 02 °C的温度变化。水浴装置部分包括水浴容器7，电加热器9，测水温温度传感器10，固定木板11，测 水温温度传感器10固定放置在水浴容器7内用于实时测量其水温并反馈给微控制器，微控 制器与电加热器件9、测水温温度传感器10电连接。测水温温度传感器为PtlOO，微控制器 为CD708型，控温精度为士 1°C，过数码管对温度进行实时显示。瓶内空气温度的改变可以 通过改变水温来实现，而水温可以通过传感器系统保持在较准确的范围内，当温度低于最 低设定温度，电加热器10自动开启；当温度高于最高设定温度，电加热器10自动关闭。为了将储气瓶1固定在水中，在水浴容器7顶端安装了固定支架，所述固定支架由 木板裁剪拼接而成，并固定在水浴容器上，中间部分开一圆孔，与储气瓶的瓶口外径大小适 配，使储气瓶压在支架下面而不会上下移动；另在水浴容器中部加装了环形固定木板11， 该环形固定木板置于水浴容器的中部，内环与储气瓶外壁大小适合，外环与水浴容器内壁大小适配，可防止储气瓶左右移动。考虑到一个电加热器会导致加热不均，可以设置三个电 加热器，两个对称放置在水中，固定在在中间木板上，另外一个置于水浴容器底部，从而使 得加热均勻。另外在固定支架上有一个或多个气孔12，方便水蒸汽排除，并且可以方便的补 充由于蒸发而损失掉的水。实施例2测量不同温度下空气比热容比的方法本实施例所述测量不同温度下空气比热容比的方法使用实施例1所述装置。测量 不同温度下的空气比热容比可以通过重复测量不同特定温度下空气比热容比的值来实现。实验步骤为(1)装置正常待机后，打开放气阀门6，储气瓶1与大气相通，在微控制器⑶708上 设定所要测量的特定温度Ttl，通过微控制器控制电加热器9。当温度低于所设温度，加热器 9开始工作，待温度达到所设温度时，电加热器9停止加热，如此反复，使系统保持在设定的 温度Ttl的士 1°C范围内。(2)关闭放气阀门6，打开充气阀门4，用打气球5向储气瓶1内打气，充入一定量 的气体，然后关闭充气阀4。此时瓶内空气被压缩，压强增大，温度升高。等待内部气体温度 稳定，即达到与系统温度平衡，此时的气体处于状态I (P1, V1, Ttl )。记录此时瓶内空气压强
P1Q(3)迅速打开放气阀门6，使瓶内气体与大气相通，当瓶内压强降至Ptl时，立刻关 闭放气阀门6，将体积为△ V的气体喷泻出储气瓶1 (注打开放气阀门6放气时，当听到放 气声将结束时应迅速关闭放气阀门6)。由于放气过程较快，瓶内保留的气体来不及与外界 进行热交换，可以认为是一个绝热膨胀的过程。在此过程后瓶中的气体由状态I(P1JnTtl) 转变为状态II (Pci, V2, T1)。由于瓶内气体温度T1低于系统温度Ttl，所以瓶内气体慢慢从外 界吸热，直至达到瓶内气温与系统温度Ttl平衡为止，此时瓶内气体压强也随之增大为P2。则 稳定后的气体状态为III(PyVyTtl)。从状态II —状态III的过程可以看作是一个等容吸 热的过程。记录此时瓶内空气压强P2。(4)状态I — II是绝热过程，由绝热过程方程得，7=P。G (公式 1)状态I和状态III的温度均为Ttl，由气体状态方程得P1V1 = P2V2(公式 2)合并公式(1)、⑵，消去V1, V2得厂^^^(公式 3) (IgP2 -IgO由公式(3)即计算出温度为Ttl时的空气比热容比Y。(5)重复以上步骤(1)44)进行6次测量(也可以是5次或10次等)求平均值。(6)重新设定温度，重复以上步骤(1)_(5)进行测量不同温度下的空气比热容比
Y ο实验数据及处理结果本实施例进行了温度分别为20°C、40°C、6(rC、8(rC时的空气比热容比的测量。表
1为实验数据原始记录及计算结果，每一温度重复测量了 6次，压强的换算公式为
其中P’为压强相对应的电压值，单位为mV。将每一相同温度下的6个空气比热容比Y中的最大值和最小值去掉，求出空气比
热容比的平均值}^及其A类不确定度，所得数据如表2所示。以温度为横坐标，以空气比热
容比的平均值^作曲线图，如图2所示。A类不确定度的计算公式为μΑ =一幻2 (公式 5)表1不同温度下测量空气比热容比的原始数据记录及计算结果 表2不同温度下空气比热容比的平均值^及其A类不确定度 从以上数据及图2可知，空气在不同温度下它的比热容比是不相同的，并且有一 定的变化规律，即空气的比热容比随温度的升高而减小，而减小的速率也随温度的变化而 发生改变。
权利要求
一种测量不同温度下空气比热容比的装置，包括储气瓶、置于瓶内的压力传感器和测气温温度传感器，所述储气瓶上固定有加气部件及放气部件，其特征在于，还包括一个设置在储气瓶周围的显温控温装置，该显温控温装置包括热浴容器、电加热器件、测浴温温度传感器和微控制器，其中电加热器件及测浴温温度传感器固定放置在热浴容器内并与微控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的测量不同温度下空气比热容比的装置，其特征在于所述显温 控温装置的热浴介质为水或油。
3.根据权利要求1所述的测量不同温度下空气比热容比的装置，其特征在于所述压力 传感器为数字扩散硅压力传感器，所述测气温温度传感器为数字半导体温度传感器。
4.根据权利要求1所述的测量不同温度下空气比热容比的装置，其特征在于所述加气 部件和放气部件通过设置在储气瓶口的橡皮塞固定，加气部件为打气球，打气球与储气瓶 之间设置有一个进气阀门。
5.一种测量不同温度下空气比热容比的方法，其特征在于使用权利要求1至4中任一 项权利要求所述的比热容比测量装置，包括以下步骤1)装置正常待机后，打开储气瓶上放气部件，使瓶内压强与外部大气压强Ptl平衡；通 过显温控温装置的微控制器设定热浴保温温度Ttl，并等待温度稳定至Ttl ；2)关闭储气瓶的放气部件，通过加气部件将空气压入储气瓶，等待瓶内空气温度再次 恢复至Ttl，记录此时瓶内空气压强P1 ；3)迅速打开放气部件，当储气瓶中空气的压强下降至外部大气压强Ptl时，迅速关闭放 气部件；待储气瓶内温度再次恢复至Ttl，记录此时瓶内空气压强P2 ；4)通过公式计算温度为T。时的空气比热容比，计算公式为7二；(IgP2 -IgP1)5)打开储气瓶上放气部件，使瓶内压强与外部大气压强Ptl平衡；通过显温控温装置的 微控制器设定不同于步骤(1)中温度Ttl的热浴保温温度T1,并等待温度稳定至T1 ；重复上 述步骤2至4，并使每次恢复温度均为T1,得到另一温度T1时的空气比热容比。
6.根据权利要求5所述的测量不同温度下空气比热容比的方法，其特征在于多次重复 权利要求5所述的步骤1至4，得到多组同一温度下的空气比热容比值，然后通过求其平均 值来提高测量准确度。
7.根据权利要求5所述的测量不同温度下空气比热容比的方法，其特征在于所述热浴 介质为水，测量温度在室温至水的沸点范围之间。
8.根据权利要求7所述的测量不同温度下空气比热容比的方法，其特征在于所述测量 温度在室温至80°C之间。
全文摘要
本发明提供一种测量不同温度下空气的比热容比的装置，包括储气瓶、置于瓶内的压力传感器和测气温温度传感器，所述储气瓶上固定有加气部件及放气部件，其特征在于，还包括一个设置在储气瓶周围的显温控温装置，该显温控温装置包括热浴容器、电加热器件、测浴温温度传感器和微控制器，其中电加热器件及测浴温温度传感器固定放置在热浴容器内并与微控制器电连接。本发明还提供一种使用上述装置测量不同温度下空气比热容比的方法。此装置及方法可以保证空气温度保持在一个较准确的范围内，丰富了实验教学内容，提高了学生学习积极性。
文档编号G01N25/20GK101840650SQ201010148139
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者冯先富, 刘斌, 常相辉, 张永文, 王辉, 邱春蓉 申请人:西南交通大学