基于氣體多方過(guò)程的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀

孔維怡,付 聰,鐘文龍,田 宇,高 宸,林友輝,蘇國(guó)珍,蘇山河

(廈門大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 物理學(xué)系,福建 廈門 361005)

應(yīng)用熱力學(xué)基本定律和氣體的狀態(tài)方程,理論上可獲得熱力學(xué)過(guò)程中狀態(tài)參量之間的關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)上以氣體為工質(zhì)的熱力學(xué)過(guò)程,常見的包括:在恒溫水浴中,緩慢改變氣體系統(tǒng)的體積實(shí)現(xiàn)接近可逆的等溫過(guò)程[1];利用實(shí)際氣體導(dǎo)熱系數(shù)較小的特點(diǎn),使氣體的體積快速膨脹或壓縮近似實(shí)現(xiàn)絕熱過(guò)程[2-3]. 然而,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,如何實(shí)現(xiàn)不同指數(shù)對(duì)應(yīng)的多方過(guò)程,并沒(méi)有明確的方法. 為了在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中較為簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)多方過(guò)程,同時(shí)讓學(xué)生對(duì)該過(guò)程有直觀、準(zhǔn)確且深入的認(rèn)識(shí),開展有關(guān)多方過(guò)程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為必要[4-5]. 因此,如何提供自動(dòng)化、數(shù)字化、可視化的綜合實(shí)驗(yàn)儀以實(shí)現(xiàn)指定n指數(shù)的多方過(guò)程成為亟待解決的問(wèn)題. 本文搭建了性價(jià)比高、可視化的多方過(guò)程數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀,利用控制器和步進(jìn)電機(jī)機(jī)械化、精準(zhǔn)地控制活塞的行進(jìn)速度及行程,通過(guò)采集模塊自動(dòng)化采集數(shù)據(jù),再由計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析. 該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀集成化程度高、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可觀測(cè)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高,可實(shí)現(xiàn)多種氣體的熱力學(xué)過(guò)程.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

數(shù)字化綜合實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示,主要由控制模塊、氣體模塊、測(cè)量模塊和采集模塊組成.

圖1 基于氣體多方過(guò)程的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

1.1 控制模塊

控制模塊主要包括控制器、步進(jìn)電機(jī)和絲桿滑臺(tái). 控制器與驅(qū)動(dòng)器接線相連,驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)接線相連. 控制器可控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、行程. 步進(jìn)電機(jī)連接絲桿滑臺(tái),步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),滑臺(tái)隨之向前行進(jìn),通過(guò)滑臺(tái)與氣缸活塞連接推動(dòng)活塞行進(jìn). 控制模塊控制活塞的行進(jìn)速度及行程,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)控氣體體積和壓強(qiáng)的功能.

1.2 氣體模塊

氣體模塊主要由氣缸和氣容組成. 二者通過(guò)軟管連接,使用快速接頭可在保證氣密性的同時(shí),迅速地拔出或插入軟管. 用堵頭密封其余氣孔,氣孔螺紋接口處均用生料帶做密封處理. 為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有效散熱系數(shù)為常量,要求氣體散熱面積恒定. 因此,使用隔熱膠帶和鋁箔保溫隔熱膜對(duì)氣缸外壁做絕熱處理. 氣體模塊起到儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的作用,同時(shí)也是進(jìn)行熱力學(xué)過(guò)程的場(chǎng)所.

1.3 測(cè)量模塊

測(cè)量模塊主要包括位移傳感器和壓強(qiáng)傳感器. 位移傳感器為拉繩式,可將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)(0～5 V),其起始端固定在滑臺(tái)上,活塞位移為拉繩位移. 壓強(qiáng)傳感器可將氣體壓強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)(4～20 mA),安裝在形狀不規(guī)則的氣容上,氣孔螺紋接口處用生料帶做氣密處理. 測(cè)量模塊起到測(cè)量氣體壓強(qiáng)和體積的作用.

1.4 采集模塊

采集模塊主要由數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集軟件組成. 數(shù)據(jù)采集卡收集傳感器的模擬信號(hào),通過(guò)USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器與筆記本電腦連接,再通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件將模擬信號(hào)采集至Excel,最后通過(guò)編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理. 采集模塊起到實(shí)時(shí)采集氣體壓強(qiáng)和體積數(shù)據(jù)的作用,為分析各類熱力學(xué)過(guò)程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

在搭建熱學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)多方過(guò)程時(shí),有以下創(chuàng)新點(diǎn):

1) 優(yōu)化設(shè)計(jì),針對(duì)多方過(guò)程的特點(diǎn),增加氣容,擴(kuò)大氣體體積,改變氣容形狀,以提高實(shí)驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

2) 數(shù)據(jù)處理,針對(duì)多方過(guò)程產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),采用新的數(shù)據(jù)處理方法(如機(jī)器學(xué)習(xí)算法),以提高數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性.

3) 環(huán)境控制,針對(duì)多方過(guò)程對(duì)環(huán)境要求高的特點(diǎn),增加環(huán)境控制模塊,如壓力控制,以提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

4) 多功能化,針對(duì)多方過(guò)程的多樣性,增加多種功能,如多種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、多種測(cè)量手段等,以滿足不同實(shí)驗(yàn)需求.

5) 自動(dòng)化,針對(duì)多方過(guò)程實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和耗時(shí)性,增加自動(dòng)化模塊,如自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄、自動(dòng)分析等,以提高實(shí)驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

2 基于氣體多方過(guò)程的熱力學(xué)量測(cè)量

2.1 利用等溫過(guò)程測(cè)量氣體的熱力學(xué)參量

在進(jìn)行多方過(guò)程前,首先需要確定環(huán)境氣壓p0、氣缸和氣容內(nèi)氣體的初始體積V0和物質(zhì)的量μ.

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在溫度不太低、壓強(qiáng)不太高時(shí),可將干燥空氣視為理想氣體.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,讓活塞以非常緩慢的速度壓縮氣缸內(nèi)的氣體,保證氣體隨時(shí)恢復(fù)至與環(huán)境平衡,該過(guò)程可以近似為理想氣體的等溫過(guò)程.

從與環(huán)境熱平衡的初始狀態(tài)出發(fā),在等溫過(guò)程中,氣體任意平衡態(tài)的壓強(qiáng)p和體積V均滿足pV=p0V0.步進(jìn)電機(jī)以0.25 mm/s勻速推進(jìn),氣體體積V與活塞被推進(jìn)距離l成線性關(guān)系V=V0-S0l,其中S0=0.196 dm2為氣缸底面積,可得p隨l的變化關(guān)系為

(1)

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

圖2給出了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓強(qiáng)倒數(shù)p-1隨活塞被推進(jìn)距離l的變化曲線.根據(jù)圖2的擬合結(jié)果, 擬合直線的斜率為-0.001 170 kPa-1·dm-1,截距為0.009 869 kPa-1.即可計(jì)算環(huán)境壓強(qiáng)p0=101.3 kPa,氣體初始體積V0=1.657 L.已知常溫常壓下氣體摩爾體積Vm=24.45 L/mol,則氣體總物質(zhì)的量μ=0.067 77 mol.

圖2 等溫過(guò)程中氣體壓強(qiáng)倒數(shù)p-1隨活塞被推進(jìn)距離l變化

2.2 利用等容過(guò)程測(cè)量系統(tǒng)的有效散熱系數(shù)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

首先讓活塞壓縮氣體的體積至V1,p1和T1為氣體平衡后的壓強(qiáng)和溫度,滿足理想氣體物態(tài)方程

p1V1=μRT1,

(2)

其中,R為摩爾氣體常量.保持活塞位置不變,讓氣體進(jìn)行等容散熱.對(duì)此微小過(guò)程,由熱力學(xué)第一定律可知,時(shí)間dt內(nèi)氣體內(nèi)能的增量dU等于氣體從環(huán)境吸收的熱量dQ加上外界對(duì)氣體所做的功dW[9],即

dU=dQ+dW,

(3)

其中等容過(guò)程外界不做功,所以dW=0,根據(jù)牛頓傳熱公式[10-11],

(4)

其中,T0為環(huán)境溫度.氣體內(nèi)能增量

dU=μCVdT,

(5)

其中,CV為氣體的摩爾熱容量.式(3)～(5)中,p,V和T分別是t時(shí)刻氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度.將式(2),(4)和(5)代入到式(3),可得氣體壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化關(guān)系

(6)

等容散熱過(guò)程中,氣體壓強(qiáng)將隨時(shí)間指數(shù)減小,并最終趨于恒定值.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)分析

將步進(jìn)電機(jī)速度設(shè)置為5 cm/s,行程設(shè)置為5 cm,數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為200 ms. 啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī),讓活塞壓縮缸內(nèi)空氣. 壓縮結(jié)束后保持氣體體積不變,令其自由散熱,期間可觀察到氣體壓強(qiáng)不斷降低并最終趨于穩(wěn)定. 壓強(qiáng)穩(wěn)定后,停止采集數(shù)據(jù).

圖3 等容過(guò)程氣體壓強(qiáng)p隨時(shí)間t的變化曲線

2.3 分步推進(jìn)法實(shí)現(xiàn)指定n指數(shù)的多方過(guò)程

2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理

多方過(guò)程中,1 mol氣體的熱容量與定容摩爾熱容量CV的關(guān)系為[6]

(7)

其中空氣的比熱參考值為γ=1.4[6].設(shè)無(wú)限小的多方過(guò)程,溫度增量為dT,氣體從環(huán)境吸收的熱量可表示為

dQ=CndT.

(8)

dQ也可用式(4)的牛頓傳熱公式計(jì)算.所以,由式(4)和式(8)可知

(9)

式(9)等號(hào)兩邊積分,可得多方過(guò)程中氣體溫度與時(shí)間的關(guān)系

(10)

其中,T1為初始溫度.

多方過(guò)程中,氣體的溫度與體積的n-1次方相乘是恒定值[6],即

(11)

由式(4)和式(11),可得多方過(guò)程中氣體體積與時(shí)間的關(guān)系

(12)

結(jié)合體積V與活塞推進(jìn)距離l的關(guān)系

V=V0-S0l,

(13)

可獲得活塞推進(jìn)速度與時(shí)間的關(guān)系為

(14)

2.3.2 實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)分析

取多方指數(shù)n=1.200,氣體的初始?jí)簭?qiáng)p1=109.7 kPa,初始體積V1=1.556 L,代入式(12)～(14)得到活塞推進(jìn)速度v與時(shí)間t的關(guān)系曲線,如圖4所示.實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)多方過(guò)程.在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,步進(jìn)電機(jī)的速度不能連續(xù)變化,可將連續(xù)變化的速度分割成許多較小的區(qū)間,在每個(gè)區(qū)間內(nèi)步進(jìn)電機(jī)勻速推動(dòng)活塞,如圖4中的直方圖所示.理論上區(qū)間間隔越小,實(shí)驗(yàn)曲線越接近理論曲線.

圖4 活塞推進(jìn)速度v與時(shí)間t的關(guān)系

根據(jù)式(12)～(14)和圖4,設(shè)置相應(yīng)的速度序列,控制步進(jìn)電機(jī)分步推進(jìn)活塞,讓活塞壓縮缸內(nèi)氣體,壓縮過(guò)程中可觀察信號(hào)變化,獲得氣體壓強(qiáng)和體積的數(shù)值變化.

以n=1.050,1.150,1.250的多方過(guò)程為例,圖5給出了氣體壓強(qiáng)p隨體積V的變化曲線,可以看到實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線符合較好.由實(shí)驗(yàn)曲線擬合的多方指數(shù)n分別為1.053,1.133和1.239,與理論值的相對(duì)偏差較小.

圖5 多方過(guò)程中氣體壓強(qiáng)P隨體積V變化

3 結(jié)束語(yǔ)

利用步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)地控制活塞的行進(jìn)速度及行程,可高效地實(shí)現(xiàn)多種氣體的熱力學(xué)過(guò)程,利用分步推進(jìn)法實(shí)現(xiàn)了指定n指數(shù)的多方過(guò)程. 同時(shí),利用采集模塊自動(dòng)化記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),由計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,從而達(dá)到測(cè)量多種熱力學(xué)參量的目的. 本實(shí)驗(yàn)裝置具有精準(zhǔn)可控、操作便捷、集成化程度高等優(yōu)點(diǎn),避免了以往實(shí)驗(yàn)裝置由人工操作引起的偶然誤差大、操作復(fù)雜、效率低等缺點(diǎn). 該裝置可視化程度高、操作較為簡(jiǎn)單便捷、成本低廉,可用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中. 利用該套裝置開展教學(xué)實(shí)踐,可以清晰直觀地展示多種氣體的熱力學(xué)過(guò)程,加深學(xué)生對(duì)氣體狀態(tài)和熱力學(xué)定律的理解.