空气密度与气体普适常数

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1、设计性实验------力学部分力学五、空气密度与气体普适常数的测定一、实验目的1.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。2.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p与总质量m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。二、仪器设备FD-UGC-A型空气密度与气体普适常数测量仪（主要由XZ-1型旋片式真空泵、真空表、真空阀门、真空管、比重瓶等组成）、米尺、电子天平、水银温度计。图1实验装置三、实验原理1.真空5气压低于一个大气压

2、(约10Pa)的空间，统称为真空。其中，按气压的高低，通常又可533-1-1-6-6分为粗真空(10~10Pa)、低真空(10~10Pa)、高真空(10~10Pa)、超高真空(10-12-12~10Pa)和极高真空(低于10Pa)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。设计性实验------力学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。2.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

3、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。3.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(a)(b)(c)(d)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、旋片靠弹簧作设计性实验------力学部分用始终与定子接触。两旋片将转子与定子间的空

4、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。4.空气密度m空气的密度r由下式求出，r=，式中m为空气的质量，V为相应的体积。取一V只比重瓶，设瓶中有空气时的质量为m，而比重瓶内抽成真空时的质量为m，那末瓶中10空气的质量m=m-m。如果比重瓶的容积为V，则10

5、m-m10r=V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pn3pwr=r×1(+at)(1+×)(1)np8p式中r为干燥空气在标准状态下的密度；r为在当时实验条件下测得的空气密度；p为nn-1标准大气压强；p为实验条件下的大气压强；a为空气的压强系数（0.003674℃）；t为空气的温度（℃）；p为空气中所含水蒸汽的分压强（即绝对湿度值），p=相对湿度×p，www0p为该温度下饱和水汽压强。在通常的实验室条件下，

6、空气比较干燥，标准大气压与大气w0压强比值接近于1，公式（1）近似为r=r1(+at)（2）n5.气体普适常数的测量理想气体状态方程mpV=RT（3）M式中，p为气体压强,V为气体体积，m为气体总质量，M为气体的摩尔质量，T为气体的热力学温度,其值T=273.15+t。R称为理想气体普适常量，也称为摩尔气体常量，设计性实验------力学部分理论值R=8.31J/(mol⋅K)。各种实际气体在通常压强和不太低的温度下都近似地遵守这一状态方程，压强越低，近似程度越高。本实验将空气作为实验气体。空气的平均摩尔质量M为28.8g/mol。（空气中氮气约占80%，氮气的摩尔

7、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m，而瓶的质量为m，则瓶中的空气质10量为m=m-m，此时瓶中空气的压强为p，热力学温度为T，体积为V。理想气体状10态方程可改写为mTm1T''m0Tp=R,即p=R+C(C=-R,为常数)（4）MVMVMV''设实验室环境压强为p，真空表读数为p，则p=p-p<0，（4）式改写为00'm1T'm1Tp=R+C-p=R+C(C为常数)（5）0MVMV'''式中C=C-p,测出在不同的真空表负压读数p下m的值，然后作出p−m关系图，求011出直