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空气密度与气体普适常数测量[技巧]

3.8空气密度与气体普适常数测量

实验目的

1.学习真空泵的工作原理，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与总质量的关系并作图，由直线拟合求得气体普适常

数R，与理mpii

论值比较。

仪器用具

FD-UGC-A型空气密度与气体普适常数测量仪、电子物理天平、水银温度计。

实验装置

图3.8-1FD-UGC-A型空气密度与气体普适常数测量仪

仪器装置如图3.8-1所示，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。实验原理

1.真空

5气压低于一个大气压的空间，统称为真空。其中，按气压的高低，通常又(约

10Pa)

533-1,1-6可分为粗真空、低真空、高真空、超高真

(10~10Pa)(10~10Pa)(10~10Pa)

,6-12-12空和极高真空五部分。其中在物理实验和研究工作中经常

(10~10Pa)(低于10Pa)

用到的是低真空、高真空和超高真空三部分。

用以获得真空的装置统称真空系统。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、偏心转子和旋片等。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、旋片靠弹簧作用始终与定子

接触。两旋片将转子与定子间的空间分隔成两部分。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。

图3.8-2旋片式真空泵结构图

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

CB

(b)(c)(d)(a)

图3.8-3旋片式真空泵工作原理

4.空气密度

m空气的密度由下式求出，，式中m为空气的质量，V为相应的体积。取一

只,,,V

比重瓶，设瓶中有空气时的质量为，而比重瓶内抽成真空时的质量为，那么瓶

中空气mm01

mm,10,,的质量。如果比重瓶的容积为V，则。由于空气的密度与大气压

m,m,m10V

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

pp3n,(3.8-1),,,(1，,t)(1，)np8p

式中为干燥空气在标准状态下的密度;,为在当时实验条件下测得的空气密

度;,pnn

-1为标准大气压强;p为实验条件下的大气压强;为空气的压强系数

(0.003674?);为,t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，,0,,

p为该温度下饱和水汽压强。在通常的实验室条件下，空气比较干燥，标准大

气压与大,0

气压强比值接近于1，公式(3.8-1)近似为

,,,(1，,t)(3.8-2)n

5.气体普适常数的测量

理想气体状态方程

mpV,RT(3.8-3)M

VMTpm式中，为气体压强，为气体体积，为气体总质量，为气体的摩尔质量，