西蒙气体温度计与蒸汽压温度计

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1、西蒙气体温度计与蒸汽压温度计1.实验目的通过实验了解气体温度计和蒸汽压温度计的测温原理，学习利用这两种温度计测量低温温度的技术及误差分析，掌握低温物理实验中常用的减压降温及恒压控温的技术。2.实验原理2.1.西蒙气体温度计的结构和原理如下图所示，西蒙气体温度计由三部分组成：（1）感温泡用紫铜加工而成，因紫铜导热性良好，可以改善温泡和待测温物体的热接触（2）压力指示器采用弹簧管精密真空表。它有一弹性弯管通过杠杆链接到指针上。当管内气体压力变化时，弹簧管发生形变，带动指针指示相应的真空度，一般情况下弹簧管的体

2、积可认为不变，因而可供制作简单的定容气体温度计。（3）连接感温泡和压力指示器的毛细管毛细管的作用是充当压力传输管，可选内径为的不锈钢管。西蒙气体温度计示意图将毛细管分别与感温泡及真空表焊接后抽至帕量级的真空，充入氦气并置换几次，最后封入少量氦气，理想气体状态方程为（1）式中为气体压力，为气体摩尔体积，为绝对温度，为普适气体常数。在本实验中，以代表感温泡的体积，代表真空表内弹簧管的体积，以及附加的密封铅管管道的体积（总称“死体积”）。代表室温时气体温度计内气体压力。忽略毛细管的体积，则当感温泡进入液氮中，温

3、泡内气体温度下降至，压力亦相应变为，由（1）式应有（2）式中为温度计内的气体的摩尔数。由（2）式可得：（3）其中。如果和两者之一或都不知道，可由（3）式写成另外一种形式9（4）而求得，由其他温度计测得室温后，读出真空表相应于室温的，再读出感温泡置于液氮沸点（已知）时真空表读数，立即可定出。也可以将（2）式写成另外的形式：（5）若令（6）则有（7）式中与呈线性关系，利用作图法可以方便的建立关系。以上讨论的是理想气体的情形。实际为照顾真空表的读数范围，实验中所充的氦气并没有稀薄到完全可以忽略。考虑到真空气体中

4、第二维里系数项所产生的影响，气体状态方程应为（8）比较（1）式和（8）式，温度的修正项为（9）第二维里系数的值和温度有关，表1列出了氦的第二维里系数的值。表8-1第二维里系数值2.6414205090125300350-118.9-80.97-12.31-4.047.5010.7611.3211.1310.87造成西蒙气体温度计的误差有多方面的因素，如真空表读数误差，热分子压差效应引起的误差，温泡体积热胀冷缩变化，处于温度梯度内的毛细管体积对值的影响等。其中真空表读数不精确是主要来源，估算时可将（2）式两

5、边对求偏导数得：（10）其中的值相对于精密真空表而言为333.3帕。若预先对准精密真空表的刻线进行压力标定，可使Δp值缩小为133.32帕。1.1.蒸汽压温度计9如果我们借助于一台抽气机降低液体表面上的蒸汽压，那么由于表面蒸汽压的降低，会导致液体内部一些动能较大的分子逸出液面被抽气机抽走，从而使液体的平均动能降低，也就是说降低了液体的温度。根据热力学的相平衡理论，单元两相系在相平衡时温度和压力之间存在一一对应的关系，为获得表达液体的这种关系的蒸汽压方程，可对克劳修斯克拉贝龙方程积分，积分后的系数要借助于气

6、体温度计来标定。对于氮蒸汽压温度计，其饱和蒸汽压与温度的关系为（11）如果测得压强p，则可求得温度T为：（12）其中。氮蒸汽压温度计上图为本实验所用的氮蒸汽压温度计。它由一浸于液氮中待测温区的温泡和置于杜瓦瓶上方的精密真空表以及连接这两者的德银管组成。温泡内充以一定量的纯净液氮；带有真空夹层的德银管作为传递压力的管道；精密真空表用来指示感温泡内液氮蒸汽的压力。对于纯净液体的缓慢降温过程，液体上部先冷，下部较热，在重力作用下产生自然对流，能使温度较快达到平衡。这时测得的温度可以认为就是浸于液氮中待测样品的温

7、度。1.实验仪器实验装置如下图所示。它由盛液氮的玻璃杜瓦瓶及抽气系统组成，能提供的低温范围。抽气机与杜瓦瓶之间除接有连通管道和真空阀门外，还接有恒压装置。借助于恒压器能获得较稳定的蒸汽压力，因而也即获得较稳定的温度。恒压器是用玻璃吹制的。在图3中的A、B两管之间，接有一段医用乳胶手指套，抽气降温时关闭阀门V3并使三通阀门V1处于三个方向连通的状态。此时因恒压器内的乳胶指套内外存在压力差，使得乳胶指套被压缩，从而断开抽气通道。打开阀门V3则恒压器内指套外压力降低，指套张开，抽气速率增大。当压力降至需要值pn

8、时关闭阀门V3，则恒压器空腔内的气压维持在pn处。此时如果杜瓦瓶内的氮蒸汽压进一步下降，指套内外压力失去平衡，指套口径变小从而降低抽气速率；反之会增大抽气速率。这样就在抽气速率与漏热造成的液氮蒸发速率之间达到动态平衡，亦即压力和温度维持恒定。9实验装置示意图图中，V2亦为三通阀门。调整V2可以接通抽气机与蒸汽压温度计。当蒸汽压温度计被抽成真空状态后通过旋转V2使得氮蒸汽压温度计被密封，此时即可以借助于充有高纯度氮气的皮囊10，