废旧物品自制热力学演示实验装置的设计

邱志华

(安顺学院物理与电子科学系，贵州　安顺561000)



废旧物品自制热力学演示实验装置的设计

邱志华

(安顺学院物理与电子科学系，贵州安顺561000)

摘要：用简单废旧物品设计制作实现准静态绝热过程的实验装置，并用该实验装置进行实验，实现了理想气体准静态绝热过程。根据实验测得的数据进行计算，得出的结果与教学中推导出的准静态绝热过程方程定义符合。

关键词：可逆过程; 准静态过程; 绝热过程; 绝热指数;

引言

热物理学里定义：热力学系统状态变化进行缓慢的过程叫准静态过程[1]；绝热过程是系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程[2]。准静态绝热过程是热力学系统状态变化进行缓慢且和外界无热量交换的条件下进行的过程，热物理学中的重要内容之一。因此，理解掌握准静态绝热过程的概念具有重要的理论意义和实际意义。那么，怎样在教学中使学生对准静态绝热过程的概念能更深刻的理解和正确掌握呢？根据物理教学的特点，教学中通过演示实验实现准静态绝热过程是最有效的方法之一。

1简单废旧物品自制的实现准静态绝热过程的演示实验装置

1.1　实验装置的介绍

自制演示实验装置如图1所示，由去掉上下两端的两支医用10ml塑料注射器圆管，一根常用的洗衣机进水塑料软管，一个500ml医用输液空瓶，一块木板，铁固定支架等连接而成。

1.2　实验装置的制作

1.2.1用一铁支架固定在一块长45cm、宽15cm、高4cm(材质密度较大)的厚木板上。

1.2.2准备二支去掉两端底座补充完整刻度的10ml塑料注射器圆筒，用粘接剂将一支与500ml医用输液瓶口并沿瓶中心轴线用力推进粘接固定，将另一支用同样的方法与塑料软管粘接固定，最后用细绳装其于铁支架的横杆上。

1.2.3把塑料软管的另一端连接到输液瓶的针管口上。

2实验演示及实验分析和数据处理

2.1　演示实验步骤如下：

2.1.1如图1，松开右针管与塑料软管接口，用一只手略提高软管口，再用20ml—50ml注射器吸一定量的水从装置左边10ml注射器口注入U型管内，使右边管内水面上升至管口，然后将右针管插入塑料软管接口并用细绳扎紧接口，轻轻放下输液瓶，移动左针管位置使右边10ml注射器管内水面达到某一较低刻度位置而且使U型管内两边水面处在同一水平位置时，停止移动，这一刻度为起始刻度，记录此刻度数据，(V1、P1、T1)的初始状态。

2.1.2 用20ml—50ml注射器再吸一定量的水仍然从左边针管口快速注入U型管内，使右边水面上升达到某一刻度，停止注水，记录此时刻右边注射器管内水面的刻度数据，并立即记录左管液面刻度数据。这时研究热力学系统处于(V2、P2、T2)状态，即II状态。

2.1.3 测量(3)步骤得出的左右两管刻度线的水平距离。松开右针管与塑料软管接口，取下输液瓶，测量输液瓶的容积(即研究气体(热力学系统)的初始体积V1)。

2.2　实验分析：

实验通过从左管注入一定量的水，经操作可将一定质量的气体密闭于瓶中。又经操作当U型管内左右两边液面处于同一水平面时，由于左管上方开口，这时液表面压强为当地大气压强，根据连通器原理，密闭于瓶中气体这时的压强也为当地大气压强，并与此时左右两管内水平面高度就作为测量左右两管内后来测量液面高度的零点。则选密闭气体为实验研究的对象，设此时对象为I状态，那么I状态对象的体积基本为瓶的容积与针管的容积的和，压强为当地大气压强，温度为实验时外界的温度，用：V1、P1、T1表示 I状态的参量。 当从左边针管再注入一定量的水后，左右两管内液面都在上升，当注水停止，这时对象为II状态，从右管液面上升的位置与零点液面的位置差值可测出研究气体体积的变化值，用I状态气体系统的体积减去该体积变化值，就得出II状态气体系统的体积；根据连通器原理，此时左右两管内液面水平高度距离为系统II状态压强与当地大气压强的变化值，因I状态气体系统的压强为当地大气压强，所以，I状态气体系统的压强值加上该变化值就得出II状态气体系统的压强。这时对象的温度为某一温度值，即II状态的参量V2=V1-△V12P2=P1-△P12T=T2由于液体在管内上升时与管壁间摩擦较小，可以忽略不计摩擦力，另对象由I态到II态的时间，即第二次从左管注水时间，一般在2-4秒左右，从文献[3]知道，实际气体从不平衡到恢复所需时间只有秒，即状态变化进行的时间大于弛豫时间，故由I态到II态的变化过程是很缓慢的过程，故根据准静态过程的定义，气体从I态到II态是无摩擦准静态过程。又由于I态到II态过程时间相对于系统与外界达到热平衡的时间来说较短，即I态到II态变化较快，系统来不及与外界交换热量，故根据绝热过程的定义，系统从I态到II态的过程是绝热过程，所以根据以上分析，系统从I态到II态是准静态绝热过程。

2.3　实验记录及数据处理

P1V11.4=860×6111.4=4.8452817×1012≈4.8×1012

P2V21.4=872.1×6061.4=4.7744051×1012≈4.8×1012

即：P1V1γ=P2V2γ=C

由实验数据处理结果： P1V1γ=P2V2γ=C满足准静态绝热过程方程的定义，所以密闭于瓶中气体从I状态到II状态的过程是准静态绝热过程，与实验分析相符。

3结束语

通过上阐述，经过精心设计能将废旧的生活用品自制实现准静态绝热过程的实验装置，这是一个变废为宝且符合环保意识案例。该实验装置取材容易(都源于生活废旧物品)，结构简单，选择适当的物品，组装容易，实验操作简单，易操作，整个演示实验只进行两次注水操作过程，现象清晰，数据易测量，左右两针管液面位置容易观察记录，研究的热力学气体系统明确，系统体积变化清晰，数据容易测量，演示现象所需时间短，装置能多次重复使用。

参考文献：

[1]汪志诚·热力学·统计物理.第三版[M]. 北京:高等教育出版社，2003:14-15. 25.

[2]马文蔚·物理学(上册).第四版[M]. 北京:高等教育出版社，2004:191.

[3]吴锡珑·大学物理教程(第二册)[M].北京：高等教育出版，1999:40-52.

[4]秦允豪·普通物理教程·热学第二版[M]. 北京.高等教育出版社，2004: 169. 187. 197.

[5]李椿等·热学[M]. 北京:高等教育出版社，1978: 176.

[6]王竹溪·热力学[M]. 北京：高等教育出版社，1955: 66.

(责任编辑：王德红)

Introduction of Self-made Experimental Device by Life Waste Articles

Qiu Zhihua

(Department of physics and Electronic science, Anshun College, Anshun 561000,Guizhou,China)

Abstract：This paper introduces making experimental device that realization of quasi-static adiabatic process by simple scrap supplies，and introduces how to use the experimental device to realize the quasi-static adiabatic process of the ideal gas，and calculate according to the experimental measured data，the results also prove that the experimental device can demonstrate gas quasi-static adiabatic process.

Key words:reversible process；quasi-static process；adiabatic process；adiabatic exponent;

中图分类号：O55.4

文献标识码：A

文章编号：1673-9507(2015)01-0114-02

作者简介：邱志华(1956~)，男，贵州安顺人，安顺学院副教授。研究方向：热学、热力学。

收稿日期：2014-11-08