熊正烨，冯巍山，杜超胜，李永强

（1. 广东海洋大学电子与信息工程学院，广东湛江，524088；2. 广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江，524088）

一种测定气体比热容比的装置和方法

熊正烨1，冯巍山2，杜超胜2，李永强1

（1. 广东海洋大学电子与信息工程学院，广东湛江，524088；2. 广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江，524088）

常用的测量气体比热容比的方法有绝热膨胀法、声速法、小球振动法等，然而这些方法所用设备和测量原理都相对复杂。本文研究了测定气体比热容比的原理，探讨了测量理论，进行了推理演算，并设计了一种实验装置和测量步骤。实验数据和结果表明：该方法测量气体的比热容直观、精确且简单。

比热容比；物理实验；气体

引言

气体的比热容比是指气体的定压比热容与定容比热容的比值，在热力学理论和工程技术应用中是一个很重要的基本物理量［1，2］。测量气体的比热容比实验也是大学物理基本实验之一，常用的测量方法一般有多种，譬如绝热膨胀法［3］、声速法［4］和小球振动法［5，6］等。在这些方法中，通常都要采用压力传感器或温度传感器测量气体的压强变化或温度变化，甚至还需要用到光电传感器等先进的实验手段，设备和测量原理都相对复杂［6，7］。现有的测量比热容比实验装置成本较高，结构复杂，测量原理相对复杂，涉及的技术手段多，需要测量的物理量多，操作和学习者理解困难。

为解决上述问题，本文设计了一种简单的装置，可使学生直观理解绝热压缩过程，并可很方便地测量气体的比热容比。

1 实验装置和测量原理

测定气体比热容比的装置包括气瓶、压气筒、连接管、双孔塞、阀门（或气压计）、固定架、重物盘。实验装置如图1所示。

压气筒是透明的带有长度或容积刻度的活塞，用连接管通过双孔塞的其中一个孔使其与气瓶相连接，双孔塞的另一孔连接阀门或用于扩展。固定架用于固定压气筒外壳；重物盘固定在活塞上方，与活塞固连；其上方可放适量重物，譬如砝码。用重物通过压气筒压缩密闭于玻璃瓶内的气体，使系统达到新的平衡。由于压缩时间短，压缩过程可视为绝热压缩。利用气体压缩前后的压强和体积变化，就可以很方便地测量气体的比热容比。

由活塞5和活塞套筒3组成压气筒，活塞5与重物盘2固连，活塞套筒3上标刻容积变化；活塞套筒3通过导气管7和双孔塞8与气瓶9连通，与阀门6一起形成容纳气体的封闭空间；固定夹4可以牢固地夹持住活塞套3，固定夹4与支撑杆10相连，支撑杆10固定在底座12上。通过适当设计可使活塞5与重物盘2的重力和与活塞5和活塞套筒3之间的滑动摩擦力基本相等。

图1　测量气体比热容比的装置示意图

活塞套筒3通过导气管7和双孔塞8与气瓶9连通，与阀门6一起形成封闭空间充满某种气体后，用很小的力略微下压重物盘2后使之自然停住，此时气瓶9内的气压略大于外界；打开阀门6，气瓶9内的气体会有少量通过阀门6释放出来，气瓶9内的气压与大气压相等，但活塞5并不会下滑（因活塞5与活塞套筒3之间的静摩擦力略大于活塞5和重物盘2之间的重力）。关上阀门6，此时，系统内气体的体积和压强分别为V0和P0。

在重物盘2中放置重物（砝码1），系统内的气体被压缩，活塞5下降，并很快达到新的平衡。活塞5移动使系统内气体体积减小，减小量ΔV可从活塞套筒3上的刻度直接读出。活塞5在重物1的压力、重力、摩擦力、内外气体的压力作用下平衡，由此可

算出系统内气体的压强为：其中，P0为大气压强，m为砝码1的质量，s为活塞5的横截面积。由于压缩到平衡的时间较短，该过程可视为绝热过程，满足：

其中，γ为气体的比热容比，且由式（2）可得：

改变砝码1的质量m，可以得到不同的ΔV，进而计算出气体的比热容比γ及误差。

2 实验数据及分析

实验中采用50 ml的注射器作为活塞和活塞套筒，活塞套筒的内径为3.50 cm，套筒上有容积刻度，最小分度为2 ml。重物盘为设置在活塞手柄上方的圆形胶板，适当改变圆形胶板的厚度，使活塞套筒在竖直放置时，活塞刚好可与套筒相对静止，在很小的冲击压力（小于0.03 N）作用下，活塞就可匀速下滑。此时，活塞和重物盘的重力略小于活塞和活塞套筒之间的最大静摩擦力，与活塞和活塞套筒之间的滑动摩擦力几乎相等。

装置安装好后，当活塞停在50 ml刻度线上时，活塞套筒下腔、气瓶和排气阀门形成的封闭空间为350 ml。在此密闭空间中充入待测气体（二氧化碳或氦气），充至活塞停在50 ml刻度线的上方（一般在50 ml和60 ml刻度线之间）为止。打开排气阀门，轻推活塞，使之下降到50 ml刻度线上，而后关闭排气阀门。此时，封闭空间内气体的体积为350 ml，气体的压强与大气压强相等。

在重物盘上方置砝码，活塞在砝码的压力作用下向下运动，气体被压缩，气体体积的减小可从套筒的刻度直接读出。实测的数据如表1所示。

表1　使用本文装置实测的两种气体的热容比数据表

接表1

从表1可得到：在室温条件下，CO2气体的比热容比为γ（CO2）=1.285±0.008；He气体的比热容比为γ（He）=1.616±0.008。可以看出，测量精度较高，且与公认值［8］数据非常接近。

3 结论

本文设计装置结构简单，成本低廉。用重物通过压气筒压缩密闭于玻璃瓶内的气体，使系统达到新的平衡。由于压缩时间短，压缩过程可视为绝热压缩。利用气体压缩前后的压强和体积变化，可以很方便地测量气体的比热容比，且测量结果较准确。

本研究工作受广东省教育厅项目（电子科学与技术实践教学体系的构建和优化研究）资助。

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熊正烨（1972-），男，博士，副教授，主要从事发光材料与器件方向的研究工作。E-mail: xiongzhengye@139.com

Apparatus and Method for Measuring Ratio of Specific Heat Capacity of Gas

Zhengye Xiong1， Weishan Feng2， Chaosheng Du2， Yongqiang Li1（1. School of Electronics and Information Engineering， Guangdong Ocean University，Zhanjiang， Guangdong， 524088， China；2. School of Mechanical Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong， 524088， China）

The measurement methods for the ratio of specific heat capacity of the gas are generally including adiabatic-expansion method， sound-velocity method and small-ball vibration method， etc. However， the equipment and the measuring principle of these methods are relatively complex. In this paper， the principle of measuring the ratio of specific heat capacity of gas is studied， and the calculation based on deduction is carried out. The experimental data and results show that this method can measure the ratio of specific heat capacity of the gas directly， simply and accurately.

Ratio of Specific Heat Capacity； Physics Experiment； Gas

G424.31

A

2095-8412 （2016） 04-741-03

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.043