專利名稱：熱力學第一定律實驗儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于熱學用的教學儀器，涉及一種驗證熱力學第一定律的實驗儀。
熱力學第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，根據(jù)教學大綱的要求，該定律對于理想氣體等容、等壓、等溫、絕熱過程的應用是學生必須掌握的重要內(nèi)容。但是幾十年來，這方面的教學既無演示、又無學生分組實驗，因此概念抽象難講、學生不易理解和掌握。華中工學院物理演示實驗室和武漢三五儀表廠于1985年在《第一屆全國高等院校物理演示實驗經(jīng)驗交流會文集》中介紹的《絕熱過程演示儀》不僅只能定性地演示絕熱過程中氣體被壓縮和膨脹時溫度的變化，而且由于該儀器由氦氖激光器、靈敏電流計、大型注射器、熱傳感器、靈敏電橋組成，因而成本高。
本實用新型的目的在于提供一種功能全、成本低、既能定性又能定量地驗證熱力學第一定律的實驗儀，以提高教學質(zhì)量。
本實用新型由能量轉(zhuǎn)換裝置和測量顯示裝置組成。能量轉(zhuǎn)換裝置包括動力室和工作室，它們均為氣缸式結(jié)構(gòu)，且體積相等、同心地安裝在底座上。測量顯示裝置包括指示工作室內(nèi)氣體壓強變化的氣壓表、指示工作室內(nèi)氣體溫度變化的熱電偶和靈敏數(shù)字電壓表、指示工作室內(nèi)氣體體積變化而在動力室上所標注的刻度、指示環(huán)境和工作室之間熱量傳遞量的直流電壓表。
本實用新型的工作物選用空氣，壓縮空氣既可用手控、直接進動力室，也可以設置電磁滑閥控制，經(jīng)電磁滑閥進動力室。
本實用新型的具體結(jié)構(gòu)由以下的實施例及其附圖給出。


圖1為手控式實驗儀的結(jié)構(gòu)簡圖；圖2為電磁滑閥控制式實驗儀的結(jié)構(gòu)簡圖；圖3為動力室的結(jié)構(gòu)圖；圖4為活塞與活塞桿的裝配圖；圖5為工作室的結(jié)構(gòu)圖。
本實施例中，動力室由動力缸端蓋(2)、動力缸體(6)、動力活塞(4)、活塞桿(17)、動力缸體密封圈(19)、動力缸密封法蘭(20)、活塞桿密封圈(21)、壓蓋(22)、動力活塞密封圈(23)、進出氣管(3)組成。動力缸端蓋(2)、動力缸體密封圈(19)、動力缸密封法蘭(20)均為兩件，對稱地安裝在動力缸體(16)的兩端，活塞桿密封圈(21)緊貼活塞桿(17)安裝在動力缸體(6)右端的端蓋(2)外表面所設置的凹槽內(nèi)并用壓蓋(22)固定，進出氣管(3)為兩件，安裝在動力缸端蓋(2)上并與其上開的進出氣孔吻接。
工作室由工作缸體(12)、工作活塞(7)、活塞桿(17)、加熱線圈(8)、開關(10)、絕熱套(11)、工作缸端蓋(14)、工作活塞密封圈(24)、工作活塞絕熱片(25)、工作缸密封法蘭(26)、工作缸體密封圈(27)、氣壓表插座、工作缸端蓋絕熱片(33)組成。工作活塞(7)安裝在從動力室穿出的活塞桿(17)上，工作缸端蓋(14)、工作缸密封法蘭(26)、工作缸體密封圈(27)均為1件，安裝在工作缸體(12)的右端，氣壓表插座安裝在工作缸端蓋(14)上并與其上開的氣孔相吻接，工作活塞絕熱片(25)安裝于工作活塞(7)的右端面，工作缸端蓋絕熱片(33)安裝于工作缸端蓋(14)的內(nèi)端面，加熱線圈(8)、絕熱套(11)包裹于工作缸體(12)的外表面。
氣壓表插座由管座(28)、壓帽(29)、墊圈(30)、過渡管(31)、氣壓表密封圈(32)組裝而成，以保證氣壓表(15)的測量精度。
測量顯示裝置包括氣壓表(15)、熱電偶(13)、靈敏數(shù)字電壓表(16)、動力缸體(6)上的刻度(5)和直流電壓表(9)。氣壓表(15)安裝在氣壓表插座上，熱電偶(13)的測溫端從工作缸端蓋(14)的端面插入工作室內(nèi)，其另一端接靈敏數(shù)字電壓表(16)，直流電壓表(9)連接在加熱線圈(8)與直流電源、開關(10)組成的電路上。
本實施例中，工作物選用空氣，壓縮空氣既可以手控直接進動力室，也可以用電磁滑閥(18)控制，經(jīng)電磁滑閥(18)進動力室。
本實施例中，工作活塞密封圈(24)為“0”形且用氟橡膠制作，其它密封圈也為“0”形，用一般橡膠制作；工作活塞絕熱片(25)和工作缸端蓋絕熱片(33)用石棉薄板制作；動力缸體(6)用具有透明度的材料制作，其最佳材料為玻璃；工作缸體(12)、活塞桿(17)、動力活塞(4)、工作活塞(7)等零件用金屬材料制作，最好選用不銹鋼或鋁。
此儀器的工作室是關鍵部件，加工時應保證工作缸體(12)內(nèi)表面光滑、無毛剌；安裝時應保證動力室和工作室的同心度以及工作室的高度密封性。
本實用新型的使用方法如下1.等容過程根據(jù)熱力學第一定律，如實驗結(jié)果有 (△t1)/(△T1) ＝ (△t2)/(△T2) ＝ (△t3)/(△T3) ………＝常數(shù)，則驗證了在等容過程中，外界傳遞給系統(tǒng)的熱量全部用來增加了系統(tǒng)的內(nèi)能。
(1)將工作室里的工作活塞用螺釘固定在最大體積處；(2)接通電源并使加熱線圈電壓一定，對工作缸體內(nèi)的氣體加熱；(3)用停表記下每一時刻t，并從靈敏數(shù)字電壓表上記下對應的溫度T。
2.等溫過程根據(jù)熱力學第一定律，如實驗結(jié)果有 (△t1)/(△t2) ＝ (ln V0/V1)/(ln V1/V2) ，則驗證了在等溫壓縮過程中，外界對理想氣體所作的功，全部轉(zhuǎn)換為傳給恒溫熱源的熱量。
(1)用恒溫熱源對工作缸體內(nèi)的氣缸加熱，使氣體的初始溫度T0為一定值，令此時刻t0＝0并根據(jù)動力缸體上的刻度記下此時刻的初始體積V0；(2)將工作活塞從V0等溫緩慢地壓縮到V1并同時降低加熱線圈的電壓讓絕熱套吸熱而保持工作缸體內(nèi)氣體的溫度不變，用停表記下始末時刻和體積V1；(3)在不改變步驟(2)時的加熱線圈電壓臨低值的條件下，多次重復步驟(2)測量出幾組數(shù)據(jù)。
3.等壓過程根據(jù)熱力學第一定律，如果實驗結(jié)果有 (△t1)/(△t2) ＝ (△T1)/(△T2) ，則可驗證氣體在等壓過程中所吸收的熱量一部分轉(zhuǎn)換為內(nèi)能的增量，一部分轉(zhuǎn)換為對外所作的功。
(1)接通恒溫熱源開關并使電壓V保持不變，對工作缸體內(nèi)的氣體加熱；(2)經(jīng)一段時間后記下溫度T0和所對應的時刻t0；(3)對工作活塞輕輕加力，使氣壓表上的示數(shù)保持不變并記下相對應的溫度T1和時刻t1；(4)多次重復步驟(3)測出幾組數(shù)據(jù)。
4.絕熱過程定性實驗使動力活塞和工作活塞在缸體內(nèi)做快速往返運動，當氣體絕熱壓縮時，內(nèi)能增加、溫度升高；絕熱膨脹時，內(nèi)能減少、溫度降低。
定量實驗根據(jù)熱力學第一定律，如實驗結(jié)果有 (P1V1-P2V2)/(T1-T2) ＝ (P2V2-P3V3)/(T2-T3) ＝………＝K，則驗證了氣體在絕熱過程中，只有在系統(tǒng)內(nèi)能變化時才能做功。
實驗時先記下一組氣體的溫度、體積、壓強數(shù)據(jù)T1、P1、V1，然后絕熱壓縮記下另一組T2、P2、V2，再絕熱膨脹記下T3、P3、V3，反復實驗，得出多組T、P、V數(shù)據(jù)。
本實用新型還可驗證波－馬定律、蓋·呂薩克定律、查理定律和氣體狀態(tài)方程。
本實用新型具有以下優(yōu)點1.功能全、性能好，不僅能定性定量地驗證熱力學第一定律對于理想氣體在等容、等壓、等溫、絕熱過程的應用，還能驗證波－馬定律、蓋·呂薩克定律、查理定律和氣體狀態(tài)方程。
2.結(jié)構(gòu)簡單、易于制作，能量轉(zhuǎn)換裝置為氣缸式結(jié)構(gòu)，測量顯示裝置為常規(guī)的測溫測壓儀表。
3.操作方便、易于掌握，實驗過程中只需控制動力室的進氣量和進氣速度及加熱線圈的電壓。
4.成本低，僅為現(xiàn)有的單功能儀器——絕熱過程演示儀成本的 1/3 。
本實用新型可廣泛應用于各種層次的物理學、熱工學等課程的教學中，既能用做演示實驗，又能用做分組實驗。
權利要求1.一種熱力學第一定律實驗儀，由能量轉(zhuǎn)換裝置和測量顯示裝置組成，其特征在于①能量轉(zhuǎn)換裝置包括動力室和工作室，它們均為氣缸式結(jié)構(gòu)，且體積相等、同心地安裝在底座(1)上，②測量顯示裝置包括指示工作室內(nèi)氣體壓強變化的氣壓表(15)、指示工作室內(nèi)氣體溫度變化的熱電偶(13)和靈敏數(shù)字電壓表(16)、指示工作室內(nèi)氣體體積變化而在動力室上所標注的刻度(5)、指示環(huán)境和工作室之間熱量傳遞量的直流電壓表(9)，③工作物為空氣，壓縮空氣既可用手控直接進動力室，也可設置電磁滑閥(18)控制，經(jīng)電磁滑閥進動力室。
2.根據(jù)權利要求1所述的實驗儀，其特征在于①動力室由動力缸端蓋(2)、動力缸體(6)、動力活塞(4)、活塞桿(17)、動力缸體密封圈(19)、動力缸密封法蘭(20)、活塞桿密封圈(21)、壓蓋(22)、動力活塞密封圈(23)、進出氣管(3)組成，動力缸端蓋(2)、動力缸體密封圈(19)、動力缸密封法蘭(20)均為兩件，對稱地安裝在動力缸體(16)的兩端，活塞桿密封圈(21)緊貼活塞桿(17)安裝在動力缸體(6)右端的端蓋(2)外表面所設置的凹槽內(nèi)并用壓蓋(22)固定，進出氣管(3)為兩件，安裝在動力缸端蓋(2)上并與其上開的進出氣孔吻接，②工作室由工作缸體(12)、工作活塞(7)、活塞桿(17)、加熱線圈(8)、開關(10)、絕熱套(11)、工作缸端蓋(14)、工作活塞密封圈(24)、工作活塞絕熱片(25)、工作缸密封法蘭(26)、工作缸體密封圈(27)、氣壓表插座、工作缸端蓋絕熱片(33)組成，工作活塞(7)安裝在從動力室穿出的活塞桿(17)上，工作缸端蓋(14)、工作缸密封法蘭(26)、工作缸體密封圈(27)均為1件，安裝在工作缸體(12)的右端，氣壓表插座安裝在工作缸端蓋(14)上并與其上開的氣孔相吻接，工作活塞絕熱片(25)安裝于工作活塞(7)的右端面，工作缸端蓋絕熱片(33)安裝于工作缸端蓋(14)的內(nèi)端面，加熱線圈(8)、絕熱套(11)包裹于工作缸體(12)的外表面。
3.根據(jù)權利要求2所述的實驗儀，其特征在于氣壓表插座由管座(28)、壓帽(29)、墊圈(30)、過渡管(31)、氣壓表密封圈(32)組裝而成。
4.根據(jù)權利要求1、2、3所述的實驗儀，其特征在于工作活塞密封圈(24)為“0”形且用氟橡膠制作，工作活塞絕熱片(25)和工作缸端蓋絕熱片(33)用石棉薄板制作，動力缸體(6)用具有透明度的材料制作，工作缸體(12)用金屬材料制作。
專利摘要熱力學第一定律實驗儀，由能量轉(zhuǎn)換裝置和測量顯示裝置組成。能量轉(zhuǎn)換裝置包括動力室和工作室，它們均為氣缸式結(jié)構(gòu)，且體積相等，同心地安裝在底座上；測量顯示裝置包括氣壓表、熱電偶、靈敏數(shù)字電壓表、氣壓表和動力室上所標注的刻度。此儀器不僅能定性定量地驗證熱力學第一定律對于理想氣體在等容、等壓、等溫、絕熱過程的應用，而且成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可廣泛應用于各種層次的物理學、熱工學等課程的教學中。
文檔編號G09B23/16GK2075372SQ9021182
公開日1991年4月17日 申請日期1990年2月17日 優(yōu)先權日1990年2月17日
發(fā)明者葉瑞英, 杜明振 申請人:成都科技大學