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实验一 气体绝热指数测定实验

一、实验目的

1.         测量气体系统在热力学过程前后的压力，计算气体绝热指数；

2.         理解绝热膨胀过程和定容加热过程以及准稳态过程的概念；

3.         掌握快速采集实验数据的技术和测量压力方法。

二、实验原理

气体的绝热指数定义为气体的定压比热容与定容比热容之比，以k表示，即  。

若流体工质在状态变化过程中不与外界发生热交换，则该过程就称为绝热过程。

本实验利用测量定量空气在绝热膨胀过程和定容加热过程中的压力变化来计算空气的绝热指数k。实验过程的P-V变化过程如图1所示，图中AC为绝热膨胀过程，CB为定容加热过程。

图1 实验过程中空气系统的PV变化曲线

AC为绝热膨胀过程，状态方程如下：

                         （1）

CB为定容加热过程，状态方程如下：

V_B=V_C                                           （2）

假设状态A和B温度相同，则T_B=T_A。根据理想气体的状态方程，对于状态A、B可得：

p₂V₂=p₁V₁                               (4)

将（4）式两边k次方得：

             （5）

由（3）、（5）两式得，，再两边取对数，得：

                     （6）

因此，只要测出A、B、C三状态下的压力p₁,p₂,p₃,且将其代入（6）式，即可求得空气的绝热指数k。

三、实验装置

空气绝热指数测定系统由实验腔、真空罐、真空泵、电磁阀、调节阀、压力表、真空表、压力传感器、热电偶、稳压电源、控制器和高速数据采集系统构成，如图2所示。真空罐用于控制实验腔的膨胀压力，这样可以测不同压力下的膨胀指数，电磁阀用于控制膨胀时间，达到近似模拟绝热条件的目的。

图2 气体绝热指数测定装置示意图

 

四、实验步骤

1.气密性检测

实验中压力测量对装置的气密性要求较高。因此，在实验开始前，应检查其气密性。

按图2安装好实验管道系统和测试系统。关闭阀门3，开启阀门1和2，充气直至压力达到0.5MPa，观测压力表的读数，密封判断标准为15分钟内压力降小于0.01MPa。若气密性不符合要求，用肥皂液涂抹管路和容器连接处，查看气泡，排除漏气。若不能排除，则报告老师做进一步处理。此步骤一定要认真，否则将给实验结果带来较大的误差。

注意事项，该实验要在空调室内进行，保持室内温度恒定，室内温度对测试结果影响较大。

2. 具体步骤如下：

2.1开启电阀门2和3，关闭电阀门1，开启真空泵，真空罐真空度大于0.098MPa时，关闭真空泵验过程中，真空罐内的真空度会降低，适时地开启真空泵维持罐内真空度。

2.2开启测试系统，采样时间间隔为0.1s，捕捉热力过程中压力的变化。

2.3关闭阀门2和3，开启阀门1，开启调压阀，加注测试气体至测试腔，真空度小于0.08MPa，关闭电阀门1，从低压开始测试。也可以从高压开始做。

2.4观测测试腔内的温度和压力，直至温度和压力稳定，开始测试。

绝热膨胀过程AC。开启电磁阀2，1秒后关闭。测试腔内的高压气体向真空腔内膨胀。

等容加热过程CB。气体膨胀降温，关闭电磁阀2后，低温气体通过壁面向环境吸热升温，直至温度平衡。

3. 测试结束。

3.1开启调压阀，提高测试腔内的压力，继续测试，压力间隔为0.01MPa，直至0.2MPa以上。

3.2重复上述步骤，多做几遍，采集数据，然后进行数据处理，计算结果。

3.3实验结束，再记录一次环境温度T₀和压力p_a，确定环境变化可能引起的误差。

五、实验报告

1.         实验系统结构及流程，设备型号及参数；

2.         实验气体；

3.         原始数据及数据处理过程；

4.         实验结果和实验误差分析；

5.        实验心得。