气体绝热指数的测定方法

摘要

本发明涉及的是一种物理技术领域的气体绝热指数的测量方法，具体为：准备三个容器，先在第一容器中加入液体，然后将第一容器倒置于第二容器中获得负压密闭气体系统，再用固定支架固定，负压气体和外界热平衡后，记录内外液面差和内液面的位置；第三容器置于平台上，使第三容器的液体缓慢连续的流入第二容器，使第一容器内的气体由初始状态经准静态绝热压缩过程到第二状态，纪录内外液面差和内液面的位置；气体系统从第二状态经自然降温至环境温度时的第三状态，纪录内外液面差和内液面的位置；基于上述的参数直接计算绝热指数。本发明能直观体现气体状态的准静态改变，利用容器的不良导热性能进行绝热近似。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种物理技术领域的参数测定方法，具体地说，涉及的是一种气体绝热指数的测量方法。

背景技术

气体的定压比热容Cp与定容比热容Cv之比γ＝Cp/Cv，称为气体的比热容比，气体的比热容比又称为气体的绝热系数，是一个只与气体本身性质有关的物理量，在气体动力学过程，热力学过程特别是绝热过程中是个重要的参量，在燃气输配、造纸工业，空调制冷系统及爆破工程等方面也是计算流体工质的相关参量或表征相关气体性质的重要参数。

经对现有技术的文献检索发现，气体的比热容比测定普遍采用Clement &Desorms方法(克雷孟-德梭姆方法)或者是同济大学生产的FD-NCD型空气比热容比测定仪。Clement & Desormes方法是法国化学家兼经济学家克雷孟和德梭姆于1819年实验测空气的比热容的方法，原始文献是Clement Nicolas等人在J.Phys(物理期刊).89，321-346，1819以Dttermination experimentaledu zero absolu de la chaleur et du calorique sptcifique des gaz(绝热条件下空气的比热容实验测定)，为题发表。该方法是通过热力学过程的状态方程计算气体的比热容比；同济大学生产的FD-NCD型空气比热容比测定仪方法是通过声速和测量悬浮于气流中的小球的振动周期计算气体的比热容比。两种方法的共同特征是在实验过程中均以研究气体的急速膨胀排出的快速过程作为绝热过程近似，该过程导致被研究气体系统在实验过程前后与外界有物质交换，同时不能直观体现热物理学理论公式以过程准静态进行为基础的基本要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种气体绝热指数的测定方法。本发明研究对象为密闭气体系统，能直观体现气体状态的准静态改变，利用容器的不良导热性能进行绝热近似。在数据处理方面和克雷孟-德梭姆方法相比，考虑了气体的体积变化的影响，根据热力学微分方程进行数据处理和纪录。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明利用连通器原理，实现气体在几秒内的压缩过程，包括如下步骤：

第一步，获得密闭气体系统：准备三个容器，先在第一容器中加入液体，然后将第一容器倒置于第二容器中获得负压密闭气体系统，根据需要调整液面高度，再用固定支架固定，负压气体和外界热平衡后，记录内外液面差Δh_0内外和内液面的位置h_0内；

第二步，获得准静态绝热过程的参数：将第三容器置于平台上，使第三容器的液体缓慢连续的流入第二容器，使第一容器内的气体由初始状态经准静态绝热压缩过程到第二状态，纪录内外液面差Δh_1内外和内液面的位置h_1内；

第三步，获得等温过程的参数：气体系统从第二状态经自然降温至环境温度时的第三状态，纪录内外液面Δh_2内外差和内液面的位置h_2内；

第四步，根据热物力学微分方程导出的公式

直接计算绝热指数。

本发明中，第一容器中的气体可为负压或正压，正压情况容易操作，直接将第一容器倒置于第二容器中，然后固定即可。负压时便于读数，实现负压可通过先在第一容器中加入液体，然后将第一容器倒置于第二容器中，根据需要可调整夜面高度，然后用固定支架固定。第一容器的气体和外界热平衡后，抬高第三容器置于平台上，使第三容器的液体通过塑胶软管缓慢连续的流入第二容器，使第一容器内的气体先由初始状态经准静态绝热压缩过程到第二状态，然后经自然降温至环境温度时的第三状态。设环境温度不变。记录实验过程中的有关数据。

从初始状态到第二状态，根据准静态绝热过程微分方程，满足$\frac{\mathrm{dp}}{p_0}+\gamma \frac{\mathrm{dV}}{V_0}=0;$从初始状态到第三状态，温度不变，满足$\frac{d{p}^{\prime }}{p_0}+\frac{d{V}^{\prime }}{V_0}=0.$由以上分析得：$\gamma =\left|\frac{\mathrm{dp}·d{V}^{\prime }}{\mathrm{dV}·d{p}^{\prime }}\right|.$用三个状态下第一容器的瓶颈内外液面差的差表示压强变化，内液面的差表示研究气体的体积变化有

dp＝(Δh_1内外-Δh_0内外)ρg，dp′＝(Δh_2内外-Δh_0内外)ρg，|dV|＝S^*(h_1内-h_0内)，|dV|′＝S^*(h_2内-h_0内)，其中ρ，g，S^*分别表示液体的密度，重力加速度及第一容器的瓶颈有效横截面积。代入得

根据上述公式，只需纪录不同状态下内液面的位置和内、外液面差即可直接代入计算绝热指数。这里S^*为瓶颈有效横截面积，根据等温过程的实验数据计算所得，该值约为直接测量瓶颈直径计算横截面积的百分之七十左右，可归结为瓶颈效应所致，在该方法中该物理量不影响实验结果。

本发明和已有技术相比，由于采用连通器原理，减少了气阀及充气装置，使装置结构简单，操作简易，成本低。在数据处理方面和克雷孟-德梭姆方法相比，由于考虑进了气体的体积变化的影响，在理论上进一步保证了结果和理论值的一致性，有望在燃气等相关气体系统领域广泛推广。

附图说明

图1是本发明实施例使用的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

对照附图1，本实施例所取容器及具体参数：

第三容器1、第二容器3均是容积为1000ml的玻璃烧杯，分别置入500ml水，平台2为可调平台，第一容器4是容积为1000ml容量瓶，瓶颈长50cm，横截面积1.16平方厘米，瓶颈上标有刻度，读数准确到mm，容器4内的被研究气体为空气。第三容器1和第二容器3通过塑胶软管5连接，第一容器4由支架6固定。研究气体的状态参量的相关参数直接由容器4瓶颈上的刻度读出。

本实施例具体实施过程如下：

第一步，获得密闭气体系统：先在第一容器4中加入水40ml，然后将第一容器4倒置于第二容器3中获得负压密闭气体系统，然后用固定支架6固定，第一容器4的气体和外界热平衡时，内外液面差Δh_0内外＝0和内液面的位置h_0内＝47cm；

第二步，获得准静态绝热过程的参数：将第三容器1置于平台2上，使第三容器1的水通过塑胶软管5缓慢连续的流入第二容器3，使第一容器4内的气体由初始状态经准静态绝热压缩过程到第二状态(该过程经历5秒钟)，此时内外液面差Δh_1内外＝18.5cm和内液面的位置h_1内＝28.5cm；

第三步，获得等温过程的参数：气体系统从初始状态经自然降温至环境温度时的第三状态(该过程等待10分钟)，内外液面差Δh_2内外＝15.5cm和内液面的位置h_2内＝25.5cm；

第四步，根据热物力学微分方程导出的公式

代入数据

$=\left|\frac{(18.5-0)(25.5-47)}{(28.5-47)(15.5-0)}\right|=\frac{21.5}{15.5}=1.387$

和理论值1.4相比：相对偏差为(1.4-1.387)/1.4＝0.9％。

该实施例操作简易，成本低，便于读数。在数据处理方面和克雷孟-德梭姆方法相比，由于考虑进了气体的体积变化的影响，结果更可靠。可直接用于不溶于水的气体系统绝热指数的测定，为燃气等行业气体相关物理量的测定及气体性质的表征提供依据。