一种探究理想气体多方过程的测试方法

本发明涉及热力学，尤其是涉及一种探究理想气体多方过程的测试方法。

背景技术：

1、若系统在某一过程中满足pvn＝const,式中p和v分别为理想气体压强和体积，n称为多方指数，const表示常量，则称此过程为多方过程。现有热学教材都对理想气体的等值(等温、等压、等容以及绝热)过程进行了充分的讨论，但气体发生的实际过程大都不是这几个等值过程，而是介于它们之间的多方过程。教材对多方过程并没有作深入的讲解，本科教学中对于多方过程也只是限于了解其定义以及热容量的计算，没有将多方过程与实际热力学过程相对应，这样不利于加深学生对多方过程的理解，培养其创新意识。现有实验仪器可以较好地实现等温过程、等体过程、等压过程，而对多方过程的研究大多停留在理论研究上，缺少直观的实验验证。

2、现有的理想气体实验教学平台还存在以下几个问题：

3、1、大多采用人工操作，操作繁琐，自动化程度低；

4、2、需要人工读取并记录数据，测量准确率也不尽人意，实验结果随机误差较大，且测量过程费时费力；

5、3、对理想气体多方过程的观测过程不够直观，用于教学研究过程效果差、实用性不高；对于这一最普遍的过程有一个直观、准确且深入的认识，成为热学实验教学迫切要解决的问题。

6、中国专利申请cn109272833a公开了一种理想气体多方过程实验仪，该仪器采用气体压力传感器采集空气容器内的气体压力信号，并通过模数转换将压力信号转换为电信号，利用放大器将电信号放大，最后在数字示波器上显示随气体压强变化的电压波动图像，并通过计算机进行测量控制，从而达到数值采集过程精准可靠、实验简便的效果。该实验仪可以压缩干燥空气，并测量压缩过程中气体体积和压强的变化情况，以此研究理想气体的多方过程。然而，该实验仪需要人工推动活塞，无法准确控制活塞的行进速度和行程，实验的精准度不够高，且实验方式有限。此外该实验仪需要人工读取气体体积数据，操作较为不便。

7、因此，如何提供一种可精确控制活塞行进速率和行程的理想气体实验仪，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种探究理想气体多方过程的测试方法，提高热力学实验的准确性和实用性，并且能够自动实时读取气体压强和体积数据，以此解放人力，提高实验的效率。

2、本发明的问题是通过以下技术方案予以实现：本发明提供了一种探究理想气体多方过程的测试方法，该测试方法如下步骤：

3、步骤1、对气体压缩模块进行预处理：让所述气体压缩模块内的空气与大气平衡，并将所述气体压缩模块中气缸的活塞杆从气缸中完全拉出；

4、步骤2、打开电源供电模块，通过驱动控制模块设定好等温过程和等容过程电机的转速和行程；

5、步骤3、开始采集数据，由所述驱动控制模块驱动滑台传动模块的滑块实现在水平方向上做直线推进运动；由所述滑台传动模块带动气体压缩模块中气缸的活塞杆在水平方向上做直线推进运动，进而压缩气体压缩模块内部气体发生气压变化；

6、步骤4、压缩过程中，由压强传感器检测气体压缩模块内部气体压强数据，由位移传感器检测滑块运动过程中的引线长度；

7、步骤5、数据采集模块自动采集位移传感器检测的引线长度和压强传感器检测的压强数据，并传输给数据处理模块进行保存；

8、步骤6、所述数据处理模块读取实验数据，并对实验数据进行处理和分析，计算得到相关热力学参数；

9、步骤7、设定多方指数，根据多方指数和相关热力学参数计算得到电机推进速度与时间的变化函数，根据计算结果对电机的速度进行编程，让滑块推进速度随时间变化，使活塞杆以该速度序列压缩气缸内空气，实现该多方指数对应的多方过程；

10、进一步的，所述步骤1中的气体压缩模块包括气缸、固定片、固定座、固定板、气容及连接管，所述气缸的活塞杆顶部通过固定片固定于滑块顶部，所述活塞杆在拉伸时位于滑台传动模块的正上方，且所述活塞杆运动时形成的路线与滑块运动时形成的路线平行，由所述滑块带动活塞杆在水平方向上做直线推进运动压缩气缸；所述气缸中远离滑台传动模块的固定端通过固定座和固定板固定于工作台上；所述气容接口通过连接管与气缸的固定端接口可拆卸连接；所述步骤1具体包括：

11、步骤11、拔出与所述气缸和气容连接的连接管，让所述气缸和气容内的空气与大气平衡；

12、步骤12、由所述驱动控制模块驱动滑台传动模块的滑块移动，从而带动气体压缩模块中气缸的活塞杆运动，将活塞杆从气缸中完全拉出；

13、步骤13、待所述气缸和气容内的气压稳定后，将所述连接管两端分别接到气缸和气容上。

14、进一步的，所述步骤13中气压稳定的判断过程如下：

15、在所述数据处理模块中打开测控系统，测量位移传感器的引线长度和压强传感器的压强数据，观察引线长度和压强数据是否稳定不变，若是，则说明此时所述气缸和气容内的气压稳定，将所述连接管的两端分别接到气缸和气容上；若否，则说明此时所述气缸和气容内的气压尚未稳定，需待气压稳定后再操作。

16、进一步的，所述步骤2中的电源供电模块包括第一电源单元、第二电源单元及第三电源单元，所述第一电源单元与驱动控制模块连接，所述第一电源单元为驱动控制模块提供电源；所述第二电源单元与数据采集模块连接，所述第二电源单元为数据采集模块提供电源；所述第三电源单元分别与压强传感器及位移传感器连接，所述第三电源单元为压强传感器和位移传感器提供电源。

17、进一步的，所述步骤2中的驱动控制模块包括控制器和驱动器，所述驱动器分别与控制器、滑台传动模块和电源供电模块连接；通过所述控制器设定好等温过程和等容过程电机的转速和行程。

18、进一步的，所述步骤3中的滑台传动模块包括电机、联轴器、滑台、丝杆、滑块和固定块，所述电机的输入端与驱动控制模块连接，所述电机的输出端与联轴器传动连接，所述丝杆安装于滑台内，且所述丝杆的一端与联轴器传动连接，所述丝杆的另一端与固定块转动连接；所述滑台两侧设有滑轨；所述滑块的两端分别安装于滑轨上，且所述丝杆穿设于滑块的中部；所述电机带动联轴器转动，从而带动丝杆转动，再带动所述滑块沿着滑轨在水平方向上做直线推进运动；所述气体压缩模块中气缸的活塞杆顶端与滑块顶部传动连接，由所述滑块带动活塞杆在水平方向上做直线推进运动；所述活塞杆拉伸时的最大长度小于滑块到固定块的距离；

19、所述步骤3具体为：

20、开始采集数据，所述控制器控制驱动器运行，所述驱动器驱动电机旋转，通过联轴器带动丝杆转动，从而带动滑块沿着滑轨以设定的速度移动压缩气缸的活塞杆，让所述活塞杆压缩气缸和气容内的气体。

21、进一步的，所述步骤4中的位移传感器内绕设有引线，所述引线的长度要满足滑块在滑台传动模块上移动到远离位移传感器的最大位置，当引线的长度为0时，所述活塞杆拉升的长度达到最大位置；所述位移传感器的出线端设有引线孔，所述引线经引线孔引出，并通过固定柱固定于滑块顶部。

22、进一步的，所述步骤5中的数据采集模块包括数据采集卡及转换器，所述数据采集卡分别与转换器、电源供电模块、压强传感器及位移传感器连接，所述转换器连接至数据处理模块；

23、所述步骤5具体为：

24、所述数据采集卡自动采集位移传感器检测的引线长度和压强传感器检测的压强数据，并通过转换器传输给数据处理模块进行保存；

25、进一步的，所述步骤6具体包括：

26、步骤61、所述数据处理模块读取实验数据，该实验数据包括引线长度和压强数据，将引线长度l代入公式：v＝v0-sl，得到气体体积v，其中，v0表示气缸的初始体积，s表示气缸的底面积；

27、步骤62、根据测量的实验数据结合公式：画出等温过程拟合直线图，其中p0表示环境大气压强，根据直线的斜率计算得出气缸的初始体积v0，将v0除以环境条件下空气的摩尔体积vm，得到气体物质的量μ；

28、步骤63、先压缩气体，由压力传感器和位移传感器测得压缩后气体的压强p1和体积v1，再进行等容散热过程；根据测量的实验数据拟合等容散热过程中缸内气压p随时间t的变化函数：其中为有效散热系数，t0表示室温，r表示摩尔气体常数；根据拟合曲线求得有效散热系数

29、进一步的，所述步骤7具体包括：

30、步骤71、设定多方指数n，根据气体的能量守恒方程给出气体的体积v随时间t变化的方程：其中p2和v2表示多方过程气体的初始压强和体积，cv,m表示气体定容摩尔热容；根据多方指数n、环境温度t0、气体物质的量μ、有效散热系数和v随t变化的方程，并结合v与l的关系式：v＝v0-sl以及推进速度计算推进速度v与t的关系并画出曲线图；

31、步骤72、根据推进速度v与时间t的关系对电机的速度进行编程，让滑块推进速度随时间变化，使活塞杆以该速度序列压缩气缸内空气，得到多方过程p～v图，即实现理想气体多方过程；

32、步骤73、对比理论值和实验测量值，并计算相对误差。

33、进一步的，所述步骤1之前还包括：

34、步骤a、首次使用所述测试平台时，连接所述有数据处理模块、驱动控制模块、滑台传动模块、气体压缩模块、数据采集模块、电源供电模块、压强传感器及位移传感器的电路接线，并确认连接紧实无误。

35、本发明的有益效果是：

36、1、本发明提供了合适的实验教学平台，整套仪器成本低廉，本发明是依靠步进电机控制滑块沿着滑轨推进运动，从而带动活塞杆位移，压缩气容内的气体发生压强变化；由滑块运动带动位移传感器的引线发生变化，通过引线的长短来获取位移量；实现了操作的机械化和自动化；滑块移动的速度和距离可自行设定，实现体积精确可变；

37、2、通过位移传感器实时自动采集位移信息，另由压强传感器实时采集气容内的气体压强信息，减小人为偶然误差；且测量过程省时省力；

38、3、本发明能实现不同n指数的多方过程；同时，可以测量牛顿有效散热系数空气比热容比γ等重要热力学参量；填补大物实验的教学空白,对理想气体多方过程的观测过程比较直观，教学效果直观形象。