空气密度与气体普适常数的测量.docx
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空气密度与气体普适常数的测量
空气密度与气体普适常数的测量
空气密度与气体普适常数的测量
[实验目的]
⒈学习真空泵的工作原理,用抽真空法测量环境空气的密度,并换算成干燥空气在标准状态下(0℃、1标准大气压)的数值,与标准状态下的理论值比较。
⒉从理想气体状态方程出发,推导出变压强下气体普适常数的表达式,利用逐次降压的方法测出气体压强与总质量的关系并作图,由直线拟合求得气体普适常数R,与理论值比较。
[实验原理]
⒈真空
气压低于一个大气压的空间,统称为真空。
其中,按气压的高低,通常又可分为粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空五部分。
其中在物理实验和研究工作中经常用到的是低真空、高真空和超高真空三部分。
用以获得真空的装置总称真空系统。
获得低真空的常用设备是机械泵;用以测量低真空的常用器件是热偶规、真空表等。
⒉真空表
大气压:
地球表面上的空气柱因重力而产生的压力。
它和所处的海拔高度、纬度及气象状况有关。
差压(压差):
两个压力之间的相对差值。
绝对压力:
介质(液体、气体或蒸汽)所处空间的所有压力。
负压(真空表压力):
如果绝对压力和大气压的差值是一个负值,那么这个负值就是负压力,即负压力=绝对压力-大气压<0。
⒊旋片式机械泵工作原理
旋片式真空泵主要部件为圆筒形定子、偏心转子和旋片
图2旋片式真空泵结构图
图中:
1.滤网2.挡油板3.真空泵泵油4.旋片5.旋片弹簧
6.空腔7.转子8.油箱9.排气阀门10.弹簧板
图3旋片式真空泵工作原理
偏心转子绕自己中心轴逆时针转动,转动中定子、转子在B处保持接触、旋片靠弹簧作用始终与定子接触。
两旋片将转子与定子间的空间分隔成两部分。
进气口C与被抽容器相连通。
出气口装有单向阀。
当转子由图(a)状态转向图(b)状态时,空间S不断扩大,气体通过进气口被吸入;转子转到图(c)位置,空间S和进气口隔开;转到图(d)位置以后,气体受到压缩,压强升高,直到冲开出气口的单向阀,把气体排出泵外。
转子连续转动,这些过程就不断重复,从而把与进气口相连通的容器内气体不断抽出,达到真空状态。
⒋空气密度
空气的密度由下式求出,,式中m为空气的质量,V为相应的体积。
取一只比重瓶,设瓶中有空气时的质量为,而比重瓶内抽成真空时的质量为,那末瓶中空气的质量。
如果比重瓶的容积为V,则。
由于空气的密度与大气压强、温度和绝对湿度等因素有关,故由此而测得的是在当时实验室条件下的空气密度值。
如要把所测得的空气密度换算为干燥空气在标准状态下(0℃、1标准大气压)的数值,则可采用下述公式
(1)
式中为干燥空气在标准状态下的密度;为在当时实验条件下测得的空气密度;为标准大气压强;为实验条件下的大气压强;为空气的压强系数(0.003674℃-1);为空气的温度(℃);为空气中所含水蒸汽的分压强(即绝对湿度值),=相对湿度×,为该温度下饱和水汽压强。
在通常的实验室条件下,空气比较干燥,标准大气压与大气压强比值接近于1,公式
(1)近似为
(2)
⒌气体普适常数的测量
理想气体状态方程
(3)
本实验将空气作为实验气体。
空气的平均摩尔质量为28.8g/mol。
(空气中氮气约占80%,氮气的摩尔质量为28.0g/mol;氧气约占20%,氧气的摩尔质量为32.0g/mol。
)
取一只比重瓶,设瓶中装有空气时的总质量为,而瓶的质量为,则瓶中的空气质量为,此时瓶中空气的压强为,热力学温度为,体积为。
理想气体状态方程可改写为
(4)
设实验室环境压强为,真空表读数为,则,(4)式改写为
(5)
式中,测出在不同的真空表负压读数下的值,然后作出关系图,求出直线的斜率,便可得到气体普适常数的值。
[实验仪器]
ZX-1型旋片式真空泵、真空表(-0.1~0MPa,最小分度0.002MPa)、真空阀、真空管、比重瓶、自备电子物理天平(0~1Kg,最小分度0.01g)及水银温度计(0~50℃,最小分度0.1℃)
[实验过程]
1.测量空气的密度
图4实验内容1仪器接法
⑴测量比重瓶的体积。
用游标卡尺量出比重瓶的外径D,长度L,上低板厚度,下底板厚度,侧壁厚度(侧壁厚度应该多量几次取平均值),算出比重瓶的体积V。
⑵将比重瓶开关打开,放到电子物理天平上称出空气和比重瓶总质量,然后将其平放桌面上,瓶口与真空管相接,参考图4。
⑶将真空阀打开,插上真空泵电源,打开真空泵开关(打开开关前应检查真空泵油位是否在油标中间位置),待真空表读数非常接近-0.1MPa时(只需要等几分钟即可),先关上比重瓶开关,再关上真空阀门,最后才关闭真空泵(顺序千万不能弄错,否则真空泵中的油可能会倒流入比重瓶中)。
⑷将比重瓶从真空管中拔下来,注意这个过程应该缓慢进行,防止外界空气突然进入真空管中把真空表的指针打坏。
⑸将比重瓶放到电子物理天平上称出比重瓶的质量,算出气体质量,由公式算出环境空气密度。
⑹由水银温度计读出实验室温度t(℃),由公式算出标准状态下空气的密度,与理论值比较。
2.测定普适气体常数R
⑴用水银温度计测量环境温度(℃)。
(此实验过程较长,环境温度可能发生变化,应该测出实验始末温度取平均)
⑵在实验内容1的基础上,将比重瓶与真空管重新连起来,打开比重瓶开关,真空表读数变到-0.1MPa到-0.09MPa之间,由于比重瓶与真空管接口处没有严格密封,所以存在缓慢的漏气,整个系统的压强会缓慢降下来,等降到-0.09MPa时,迅速关闭比重瓶开关,缓慢将比重瓶拔下来
⑶称出比重瓶在-0.09MPa的质量。
⑷又将比重瓶与真空管相连,打开比重瓶开关,真空表读数变为-0.09MPa到-0.08MPa之间,同样等到压强降为-0.08MPa之后缓慢拔下比重瓶称出此时质量。
⑸同步骤
(2)、(3)、(4)一样测出真空表读数分别为-0.07、-0.06、-0.05、-0.04、-0.03、-0.02、-0.01、0MPa时的质量。
⑹测量环境的温度(℃)。
⑺作出图,拟合出直线的斜率,算出气体普适常数的值。
[注意事项]
⒈关阀门的顺序千万不能弄错,否则真空泵中的油可能会倒流入比重瓶中。
⒉将比重瓶口从真空管中拔出来的过程应该缓慢进行,防止外界空气突然进入真空管中把真空表的指针打坏。
⒊应该保证环境温度不能变化太大,否则将影响实验结果。
⒋手不能长时间接触比重瓶,防止传热引起瓶内气体温度改变。