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空气比热容比的测定气体的定压比热容与定容比热容之比称为气体的绝热指数，它是一个重要的热力学常数，在热力学方程中经常用到，本实验用新型扩散硅压力传感器测空气的压强，用电流型集成温度传感器测空气的温度变化，从而得到空气的绝热指数；要求观察热力学现象，掌握测量空气绝热指数的一种方法，并了解压力传感器和电流型集成温度传感器的使用方法及特性。
【预习重点】1．了解理想气体物态方程，知道理想气体的等温及绝热过程特征和过程方程。
2．预习定压比热容与定容比热容的定义，进而明确二者之比即绝热指数的定义。
3．认真预习实验原理及测量公式。
【实验目的】1．用绝热膨胀法测定空气的比热容比。
2．观测热力学过程中状态变化及基本物理规律。
3．了解压力传感器和电流型集成温度传感器的使用方法及特性。
【实验原理】理想气体的压强P 、体积V 和温度T 在准静态绝热过程中，遵守绝热过程方程：PV γ等于恒量，其中γ是气体的定压比热容P C 和定容比热容V C 之比，通常称γ=V P C C /为该气体的比热容比（亦称绝热指数）。
如图5.1.1所示，我们以贮气瓶内空气（近似为理想气体）作为研究的热学系统，试进行如下实验过程。
（1）首先打开放气阀A ，贮气瓶与大气相通，再关闭A ，瓶内充满与周围空气同温（设为0T ）同压（设为0P ）的气体。
（2）打开充气阀B ，用充气球向瓶内打气，充入一定量的气体，然后关闭充气阀B 。
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，即达到与周围温度平衡，此时的气体处于状态I （1P ,1V ,0T ）。
（3）迅速打开放气阀A ，使瓶内气体与大气相通，当瓶内压强降至0P 时，立刻关闭放气阀A ，将有体积为ΔV 的气体喷泻出贮气瓶。
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 （1P ,1V ,0T ）转变为状态II （0P ,2V ,1T ）。
2V 为贮气瓶容积，1V 为保留在瓶中这部分气体在状态I （1P ,0T ）时的体积。
（4）由于瓶内气体温度1T 低于室温0T ，所以瓶内气体慢慢从外界吸热，直至达到室温0T 为止，此时瓶内气体压强也随之增大为2P 。
则稳定后的气体状态为III （2P ,2V ,0T ）。
从状态II →状态III 的过程可以看作是一个等容吸热的过程。
由状态I →II →III 的过程如图5.1.2所示。
图5.1.1 试验装置简图图5.1.2 气体状态变化及P-VI →II 是绝热过程，由绝热过程方程得1102PV PV γγ= （5.1.1）状态I 和状态III 的温度均为T 0，由气体状态方程得 1122PV PV = （5.1.2）合并式（5.1.1）、式（5.1.2），消去V 1、V 2得10101212ln ln ln()ln ln ln()P P P P P P P P γ-==- （5.1.3）由式（5.1.3）可以看出，只要测得0P 、1P 、2P 就可求得空气的绝热指数γ。
【实验仪器】一、FD-NCD 型空气比热容比测定仪本实验采用的FD-NCD 型空气比热容比测定仪由扩散硅压力传感器、AD590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。
1.充气阀B2.扩散硅压力传感器3.放气阀A4.瓶塞5.AD590集成温度传感器6.电源 （详见图5.1.4）7. 贮气玻璃瓶8.打气球图5.1.3 FD-NCD 空气比热容比测定仪1.压力传感器接线端口2.调零电位器旋钮3.温度传感器接线插孔4.四位半数字电压表面板（对应温度）5.三位半数字电压表面板（对应压强）1．AD590集成温度传感器AD590是一种新型的半导体温度传感器，测温范围为-50˚C ～150˚C 。
当施加＋4V ～＋30V 的激励电压时，这种传感器起恒流源的作用，其输出电流与传感器所处的温度成线性关系。
如用摄氏度t 表示温度,则输出电流为0 I Kt I =+ （5.1.4）К=1μA/˚C 对于I 0，其值从273～278μA 略有差异。
本实验所用AD590也是如此。
AD590输出的电流I 可以在远距离处通过一个适当阻值的电阻R ，转化为电压U ，由公式I ＝U /R 算出输出的电流，从而算出温度值。
如图5.1.5。
若串接5KΩ电阻后，可产生5ｍＶ／˚C 的信号电压，接0～2V 量程四位半数字电压表, 最小可检测到0.02˚C 温度变化。
2．扩散硅压力传感器扩散硅压力传感器是把压强转化为电信号，最终由同轴电缆线输出信号，与仪器内的放大器及三位半数字电压表相接。
它显示的是容器内的气体压强大于容器外环境大气压的压强差值。
当待测气体压强为P 0+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：P 1=P 0+U /2000 (5.1.5)图5.1.4 测定仪电源面板示意图图5.1.5 AD590电路简图其中电压U 的单位为mV ，压强P 1、P 0的单位为105Pa 二、气压计该气压计用来观测环境气压。
三、水银温度计【实验内容】1.打开放气阀A ，按图5.1.4连接电路，集成温度传感器的正负极请勿接错，电源机箱后面的开关拨向内。
用气压计测定大气压强0P ，用水银温度计测环境室温0T 。
开启电源，让电子仪器部件预热20分钟，然后旋转调零电位器旋钮，把用于测量空气压强的三位半数字电压表指示值调到“0”，并记录此时四位半数字电压表指示值0T U 。
2.关闭放气阀A ，打开充气阀B ，用充气球向瓶内打气，使三位半数字电压表示值升高到100mV ～150mV 。
然后关闭充气阀B ，观察T U 、1P U 的变化，经历一段时间后，T U 、1P U 指示值不变时，记下（1P U ，T U ），此时瓶内气体近似为状态I （1P ,0T ）。
注：T U 对应的温度值为T.3.迅速打开放气阀A ，使瓶内气体与大气相通，由于瓶内气压高于大气压，瓶内∆V 体积的气体将突然喷出,发出“嗤”的声音。
当瓶内空气压强降至环境大气压强0P 时（放气声刚结束），立刻关闭放气阀A ，这时瓶内气体温度降低，状态变为II 。
4.当瓶内空气的温度上升至温度T 时，且压强稳定后，记下（2P U ，T U ）此时瓶内气体近似为状态III （2P ,0T ）。
5.打开放气阀A ,使贮气瓶与大气相通，以便于下一次测量。
6.把测得的电压值1P U 、2P U 、T U （以mV 为单位）填入如下数据表格，依公式（5.1.5）计算气压值、依（5.1.3）式计算空气的绝热指数γ值。
7.重复步骤2－4，重复3次测量，比较多次测量中气体的状态变化有何异同，并计算γ。
【注意事项】1.实验中贮气玻璃瓶及各仪器应放于合适位置，最好不要将贮气玻璃瓶放于靠桌沿处，以免打破。
2.转动充气阀和放气阀的活塞时，一定要一手扶住活塞，另一只手转动活塞，避免损坏活塞。
3.实验前应检查系统是否漏气，方法是关闭放气阀A，打开充气阀B，用充气球向瓶内打气，使瓶内压强升高1000Pa～2000Pa左右(对应电压值为20mV～40mV)，关闭充气阀B，观察压强是否稳定，若始终下降则说明系统有漏气之处，须找出原因。
4.做好本实验的关键是放气要进行的十分迅速。
即打开放气阀后又关上放气阀的动作要快捷，使瓶内气体与大气相通要充分且尽量快底完成。
注意记录电压值。
【思考题】1.本实验研究的热力学系统，是指那部分气体？T相等吗？为什么？若不相等，对γ有何影2. 实验内容2中的T值一定与初始时室温响？3.实验时若放气不充分，则所得γ值是偏大还是偏小？为什么？【讨论】在上面的实验中，环境温度(室温)假设为是恒值。
瓶中气体处于室温不变情况下而得出测量公式（5.1.3）。
实际测量中，室温是波动的，高灵敏度测温传感器观测时（如本实验所用的AD590，温度每变化0.02˚C，电压变化0.1mV），这种变化很明显。
那么，P1,P2值短时间内不易读取。
为了得出更细致的测量公式，让我们再回顾瓶内气体状态变化过程：设充气前室温为0T ，充气后，瓶内气体平衡时室温为0T '，气体状态为I （1P ',1V ',0T '）放气后，绝热膨胀，气体状态为II （0P ，2V ，1T '），等容吸热瓶内气体平衡时室温为0T ''，气体状态变为III （2P '，2V ，0T ''），其中2V 为贮气瓶容积，1V '为保留在瓶中这部分气体在状态I （1P '，0T '）时的体积。
瓶内气体状态变化为：I （1P ',1V ',0T '） II （0P ，2V ，1T '） III （2P '，2V ，0T ''）I →II 是绝热过程，由绝热过程方程得1102()P V PV γγ''=I 、 III 两状态，由理想气体状态方程得110P V nRT '''= 220P V nRT '''=n 为气体的摩尔数，R 为气体的普适常数合并上三式，消去V 1、V 2得101020ln()ln()P P P T PT γ'=''''' （5.1.6） 由式（5.1.6）可知，只要测得1P '、0P 、2P '、0T '、0T ''就可求得空气的γ。
很显然，用现有仪器只能得出0T '、0T ''的粗略值，那么用公式（5.1.6）将毫无意义。
为了得出温度的较精确而直观值，需要解决这样两个问题：1.定出测量公式（5.1.4）中的I 0具体值；2.把温度传感器改装成为真正的数字温度计。
绝热膨胀等容吸热。