实验5 气体绝热指数测量

。

【预习提示】

1、 熟悉气体的定压比热容、定容比热容、绝热指数、热力学过程等基本概念。

2、 理解热力学第一定律和理想气体的状态方程。

3、 了解绝热膨胀法测量空气的绝热指数的基本原理和方法。

4、 了解用传感器精确测量气体压强和温度的基本原理和方法。

【实验目的】

1、 学习绝热膨胀法测量气体绝热指数的原理和方法。

2、 观察和分析热力学系统的状态和过程特征，掌握实现等值过程的方法。

3、 初步了解半导体气体压力传感器和电流型集成温度传感器的工作原理和使用方法。

【实验原理】

1、 测量绝热指数的原理

Q??E?A，根据热力学第一定律，系统自外界吸收的热量Q等于系统内能的增加?E

和对外界所做的功A之和。压强、温度、体积是研究气体状态的三个基本参量。

设想一储气瓶，上面有充气阀、放气阀，用打气球

向瓶内打气，瓶内空气被压缩，也强增大，温度升

高。等瓶内气体稳定后，空气分子分布均匀，瓶内

气体温度与室温相同，此时气体状态记录为

（p1,V1,T0）；迅速打开放气阀，使瓶，内气体与大

气相通，则瓶内气体将有喷出，当压强降为大气压

p0时，关闭放气阀，根据热力学第一定律，气体对

外界做功，内能减少，气体温度下降为T1,，由于放

气较快，瓶内保留气体可视作为未与外界进行热量

交换，视为绝热膨胀过程；瓶内气体低于外界温度，

气体将会从外界吸热直到达到室温为止，压强也会

增加为P2，这个过程视作为等容吸热过程。

将绝热膨胀后瓶内剩余气体作为一定质量的热力学系统来研究。剩余气体放气前处于状态I ?P1,V1,T0?，经过绝热膨胀后气体由状态I变为状态II ?P0,V2,T1?。V1是瓶内剩余气体在状态I的体积，V2是储气瓶的体积。再经过等容吸热的过程由状态II ?P0,V2,T1?变为状态III ?P2,V2,T0?。气体的状态变化过程如图所示。由于状态I和状态III的温度均为T0,因此，由状态I到状态III可视为等温过程。

I-II 绝热过程状态变化方程： p1V1??p0V2? （泊松方程）

I-III等温状态变化方程： p1V1?p2V2

??lgp1?lgp0 lgp1?lgp2

由上式可以看出，系统经过三个状态，只要测得P0、P 1、P2就可求得空气的绝热指数?。绝热过程：系统与外界无热交换的过程。

满足以下任一条件即可视作为绝热过程：

1. 有良好的绝热材料隔绝的系统；

2. 热交换过程非常快以至于同外界没有显著热交换。（本实验属于第二种）

2、 用扩散硅压阻式差压传感器测量压强

实验中用高精度扩散硅压阻式差压传感器测量压强。扩散硅压阻式差压传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的。测量压强时将差压传感器一端与瓶内被测气体相通，另一端与大气相通。当瓶内被测气体压强发生变化时，传感器的输出电压值相应产生变化。传感器输出电压和压强的变化成线性关系，可表示为：Ui?U0?KP?Pi?P0?。Pi是被测气体压强，P0为大气压强，Ui为传感器的输出电压，U0为压差为零时传感器的输出电压，KP为传感器的灵敏度。则Pi?P0?Ui?U0。实验中所用的差压传感器，仪KP

Ui?102。 2.000器参数KP?2.000?10?2mV/Pa，U0=0mV。则Pi?P0?

3、 用AD590集成温度传感器测量温度

AD590是一种新型的电流输出型半导体集成温度传感器，利用PN结的正向压降随温度变化的特性制成。测温范围为?55C~150C。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热力学温度T成正比，且转换系数为??KC?1?A/K或KC?1?A/?C。如用摄氏度表示温度，则输出电流为

AD590输出的电流可以在远距离处通过一个适当阻值的电阻R,转化I?KCtC?273.2?A。

为一个电压U,由I?U算出其输出的电流，从而计算出温度值。本实验用的温度传感器电R

??路的转换系数为1mv/C，这样，数字电压表上显示的数即代表以C为单位的温度值。

【实验器材】

FD—NCD空气比热容比测定仪（储气瓶、传感器、数字电压表），气压计，温度计

【实验内容】

1、 测量空气的绝热指数

（1） 打开电源，预热20min。（线路已经连好）

（2） 根据室内的气压表和温度表读出大气压强P0及环境温度T0，要求在测量过程中

分别对应读出10次数据。

（3） 打开进气阀门C1和放气阀门C2，使储气瓶与大气相通，使用调零电位器调节

零点，使P?P0时测量压强的三位半数字电压表显示为0。

（4） 关闭放气阀门C2，打开进气阀门C1，用打气球向瓶内缓慢均匀打气，直到压

强显示为120mv~150mv，关闭进气阀门，直到瓶内气体达到稳态，此时的状

态为I ?P1。 1,V1,T0?。记录对应的P

（5） 迅速打开放气阀门C2,使瓶内气体与大气相通，由于瓶内气压高于大气压，瓶

内一部分气体将突然喷出，当瓶内压强降至P0时，电压表显示为零，立刻迅速

关闭放气阀门。此时瓶内气体处于状态II ?P0,V2,T1?。记录对应的P0。

（6） 当瓶内气体从外界吸热重新达到热平衡并升至室温时，瓶内气体达到状态III

?P2,V2,T0?。记录对应的P2。

（7） 重复步骤，测量10次。

2、 验证等容吸热过程气体状态变化规律（温度传感器不能用，略去）

【注意事项】

1、 实验前要检查系统是否漏气。具体方法是关闭放气阀门，向瓶内打气，当压强显

示为120mv左右，关闭进气阀门，观察压强是否稳定。

2、 本实验的关键在于放气要进行得十分迅速，关闭放气阀门的时机要选择得当。眼

睛要一直观察电压表，当电压显示为零的一瞬间，迅速关闭放气阀门，手眼紧密结合好。

3、 打气时挤压气球速度要缓慢。打完气，要等足够长时间使瓶内气体温度稳定，达

到与室温平衡。

4、 打开或关闭阀门时，要一手扶住阀门，一手转动活塞。

5、 实验完毕后，必须将两个阀门全部打开，保证压力传感器空载。

【数据记录与处理】

1、 测量空气的绝热指数

表一 测量空气的绝热指数数据记录表

大气压强P0=1.0230?105Pa 室温T0?25.0?C

对于第一组数据：P0=1.0230?105Pa （举例计算）

P1?P0?

U1?U0107.6

?1.0230?105??102?1.0768?105Pa KP2.000U2?U025.5

?1.0230?105??102?1.0358?105Pa KP2.000

P2?P0?

lgp1?lgp0lg1.0768?10

??=

lgp1?lgp2lg1.0768?105

?5

??lg?1.0230?10??1.319 ?lg1.0358?1055

不确定度的计算：

p1p0lgp1?lgp0lnp1?lnp0

???= (把P0当作常量)

lgp1?lgp2lnp?lnpp12

ln1

p2

ln

p1p11ln2A22令?A ???uA??u?B 则 uc????cc?B? p0p2ln2B?A2ln4B?B2

A?

2

1.09251.0925

?1.068 B??1.0502 lnA?0.0658 lnB?0.0490

1.0231.0403

uc?A??

1P0

2

?uc?P1? uc?B??

2

2

1P2

2

?uc?P1??

2

P1P2

24

?uc?P2?

2

uc?P1??uc?P2??uc?A??

2

53

?2.89pa 代入上式可得：

8.33

?10?10?7.956?10?10

1.0478.332

uc?B???10?10?1.0191?8.33?10?10?16.186?10?10

1.0822

1ln2A22

代入上式可得：uc???????B?=0.001 ?uA??ucc2242

lnB?AlnB?B

所以

???1.342?0.001?

ur????0.01%

2、 验证等容吸热过程气体状态变化规律（温度传感器不能用，略去）

【思考与讨论】

1、 本实验研究的热力学系统，是指放气之后，瓶内剩余的这一部分气体。

2、 理论上来讲，太大或太小都不好。太大，放气时间会较长；太小，放气时间太短。不好

把握。一般，P1在100mv~140mv之间比较合适。

3、 为了使实验公式成立，必须做到以下几点：打气时挤压气球速度要缓慢。打完气，要等足够长时间使瓶内气体温度稳定，达到与室温平衡；放气的动作要十分迅速，关闭放气

阀门时电压表显示为零；等瓶内剩余气体完全处于再一次的稳态时，记录对应的P2。 4、 若实验中混有二氧化碳，会使得测量的?偏小，因为二氧化碳属于多原子分子，多原子

分子的?=1.33，而空气基本都是双原子分子?=1.40。 5、 放气速度太慢，过程就不是绝热过程，不再符合泊松方程；放气速度太快，瓶内的压强

达不到大气压强，也会使得测量出现误差。

6、 环境温度变化会影响状态一和三的温度值，进而影响压强的测量。 7、 这样做，是为了保证压力传感器处于空载状态，延长其使用寿命。

8、 小结不能省去，否则会扣掉5分的，每一份实验报告都是一次考试。必须要认真对待。

必须要认真对待。

第二篇：数字电路实验报告 实验5

实验五   移存器功能测试及应用

一、实验目的

1、熟悉移位寄存器（移存器）的电路结构和工作原理。

2、掌握D触发器74HC(LS)74及集成移位寄存器74HC(LS)194的逻辑功能和使用方法。

二、    实验设备和器件

1、数字逻辑电路实验板                                 1块

2、74HC(LS)74（双D触发器）                      2片

3、74HC(LS)194（4位双向通用移位寄存器） 2片

三、    实验原理

移位寄存器是具有移位功能的寄存器，其中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要求。移位寄存器存取信息的方式分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。

实验用器件管脚介绍：

1、74HC(LS)74（双D触发器）管脚如下图所示。

2、74HC(LS)194（4位双向通用移位寄存器）管脚如下图所示。

四、    实验内容与步骤

1、利用两块74HC(LS)74（四个D触发器）构成一个单向的移位寄存器（基本命题）

参照用两块74HC(LS)74（四个D触发器）构成一个单向移位寄存器的实验电路图连接电路， Q输出依次接LED指示灯，加电后在移位输入端加入不同信号观察LED指示灯变化。

1.1电路图

1.2实验结果

LED灯依次变亮，每次间隔一个CP。

2、测试74HC(LS)194的功能（基本命题）

例如， Q输出依次接LED指示灯，改变S1、S0的值配合其它输入观察LED的变化。

2.1电路图

2.2实验结果：置数：LED显示状态与置数端相同。

             左移：LED从下往上（QD到QA）依次变亮，每次间隔一个CP

             右移：LED从上往下（QA到QD）依次变亮，每次间隔一个CP

3、用两片74HC(LS)194做出模16的扭环计数器（扩展命题）

将两片的Q输出依次都接到LED指示灯上，加电并加CP观察LED的变化。现象一般为八盏灯先依次变暗再依次变亮如此循环。

3.1电路图

3.2计数器拓展

当进行M=2n偶数计数时，可采用扭环型，D1=，将和高电平与非后反馈至第一片的输入端。

当进行M=2n-1奇数计数时，可采用奇分频，D1=，将与非后反馈至第一片的输入端。