一种测量四大热力过程热力学参数的驱动模型测试装置和使用装置的方法

摘要

一种测量四大热力过程热力学参数的驱动模型测试装置，设置一带支撑装置的刚性耐压容器(1)，在容器外壁开有一组孔，孔口处配合一端部伸进容器内腔的接头，一接头端部固定有作试验的气球(11)，接头由紧固装置固定位置，沿接头轴线方向穿入多个功能装置的连接线、管(10)。使用本装置能准确地获得四大热力过程中各个热力学过程的始态和终态参数，实验误差小，将所得到的值可用于计算等温可逆功W

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量热力学参数的装置，更确切地说是涉及一种测量气体等温过程，等容过程，等压过程，等熵过程，四大热力学过程热力学参数，并用以计算等温可逆功W_R，等容热容C_V，等压热容C_P，热容比γ。

背景技术

一种测量等温可逆功的装置，由于找不到无摩擦活塞和无巨大吸放热热源的器件，至今无人测量。

一种传统的测量气体等容热容的方法是脉冲加热法。热学/范宏昌编著，北京科学出版社2003.2P145、146。是将被测量气体置于密封刚性容器内，平衡至温度T₁后，用已知功率P的电脉冲加热气体样品，升温至T₂时停止加热，得加热时间Δt和升高温度差T₂-T₁，计算到等容热容C_V即。

C_V＝pΔt/(T₂-T₁)

此种方法缺点是绝热不良。由于气体的体积热容量很小，只有81256×10^-4Jcm^-3；而水是4.186J·cm^-3是气体的五千倍，其它固体的体积热容和气体相比。也有近似的比例。超音速运动的气体分子高速密集碰撞器壁，超快速和器壁取得热平衡，即便上百度摄氏温度的气体分子在分米级半径、秒级时间同内便和器壁温度取得平衡，而器壁并无可查测的温度上升。所谓绝热，是气体分子和器壁间那 层无形介面的绝热，任何绝热材料也无法施展。所以绝热极端困难，是测量四大热力学过程热力学参数的最大障碍，是导致极难测准热力学参数的根本原因。表1是学者傅献彩引用的等容热容数据。也是四大热力学过程中唯一较可靠的实验数据。

表1几种气体在不同温度下的定容摩尔热容(C_V·m/T·K^-1·mol^-1)

  气体！>  298.15！>  400>  600>  800>  1000>  1500>  2000>  H_e  12.48！>  12.48！>  12.48！>  12.48！>  12.48！>  12.48！>  12.48！>  H₂  20.52！>  20.87！>  21.01！>  4.30！>  4.89！>  23.96！>  25.89！>  O₂  21.05！>  21.79！>  23.78！>  25.43！>  26.56！>  28.25！>  29.47！>  Cl₂  25.53！>  26.91！>  28.29！>  28.89！>  29.19！>  29.69！>  29.99！>  N₂  20.81！>  20.94！>  21.80！>  23.12！>  24.39！>  26.54！>  27.68！>  H₂O>  25.25！>  25.93！>  27.98！>  39.36！>  32.89！>  38.67！>  42.77！>  CO₂  28.81！>  33.00！>  29.00！>  43.11！>  45.98！>  40.05！>  52.05！>

即便如此，除温度298.15K下各气体的等容热容外，其它温度下的等容热容均不能用于计算该温度下的等压热容。因为它们全部是在一个标准大气压各温度时测量的等容热容，和实际压力下的等容热容差好几倍。

一种公认的测量等压热容的装置。物理化学实验/南开大学物理化学教研室编，天津南开大学出版社，1991，10。包括一个绝热管道，一个安装在管道内的已知功率为P的电热器，被测量气体在等大气压下通过该管道被加热n摩尔被测量气体，从T₁升温到T₂，加热时间是Δt，则气体的等大气压热容C_P是：

C_p＝p×Δt/n(T₂-T₁)

此种方法的缺点是被测气体不可能和器壁有效绝热；被测量系 统是一个开放系统，测量模型亦欠妥，所以不可能测量准确，现在也没有一个较准确可信的测量值。

一种最先进的测量热容比的装置是美国PASCO物理实验系统。林新源/山西师范大学学报(自然科学版)2004，3。包括一个带活塞的气缸，缸内安装一支压力传感器和一支温度传感器，通过接口和软件、计算机连接，当快速上提或下压活塞时，气缸内气体的压力和温度发生变化，被软件自动采集、储存，其采样点连续显示压力和温度值。再由计算机、软件行双对数，最小二乘法直线拟合。得被测氧气的热容比γ是：

γ＝B/(B-1)＝1.386其中B为拟合直线斜率。

据认为和理论值很接近

这种方法的最大缺点是：上提或下压活塞时，使气缸内被测气体集体位移，静态结构中心远离，并产生强大涡流，远离准静态过程，加速气体和器壁的热交换，很难测到一个等熵过程中压力和温度的变化值。要知道，一个均匀漏热的多方过程，仍然可以划出一条漏热的稳定斜率的直线，总可以从漏热的某斜率中找到一条你所需要的直线。

总结以上所述，由于存在绝热不良，模型欠妥，系统开放，背离准静态过程等缺点，除了等容过程热力学参数较准确测量以外，其它等温过程从来无人测量过，有两个过程就从来没有较准确测量过。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服公知技术缺点的测量四大热 力学过程热力参数的驱动模型测试装置。

本发明的再一个目的是提供一个使用所述装置的方法，利用该方法较准确测试四大热力过程中的热力学参数，进而计算出被测量气体的可逆功、等容热容、等压热容，热容比。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种测量四大热力学过程热力参数的驱动模型测试装置，设置一带支撑装置的刚性耐压容器，在容器外壁开有一组孔，孔口处配合一端部伸进容器内腔的接头，一接头端部固定有作试验的气球，接头由紧固装置固定位置，沿接头轴线方向穿入多个功能装置的连接线、管。

在上述方案中，所述的刚性耐压容器为球形或椭球形或锥形或多边形容器。

所述的多个功能装置至少包括气体供给装置或压力传感器或温度传感器或加热装置或点火装置或恒温装置或气化吸热装置。所述的气球包括乳胶气球或塑料气球或铝铂气球或金属薄膜气球。

一种测量四大热力过程热力学参数的驱动模型测试装置的使用方法包括

(1)在作试验的气球内充入过程气体或过程驱动气体，包括空气或氧气或氮气或CO₂，或定比例的混合气体，或隋性气体或爆炸性气体，

(2)刚性容器内腔与一过程驱动力装置相连，包括泵或带阀门的高压气体罐或带阀的气管装置，所述装置向刚性容器内腔充入或向外排出气体，

(3)四大热力过程之一的等温压缩过程，气球内充入定量的过程气体，并在气球内装入气化吸热装置，向金属球内连续压空气，压迫气球缩小放热，所述热被液体气化等量吸热，并通过阀门等量排出混合形式的气化气体，记录始态和，终态的压力和温度参数，(4)或等温膨胀过程，气球内装入定量过程气体，金属球内入压缩气体，使气球内过程气体成为高压，平衡到始态压力和温度，连续放出金属球内的过程驱动气体，压力降低，气球内气体膨胀吸热，热由恒定功率的电热丝供给，有恒温装置保持气球内的过程气体温度在298.15K，气球内气体压力达到平衡大气压和始态温度为终态参数，

(5)或等容、等熵过程，气球内装入定量的纯质气体或定比例混合气体，气球内气体体积与金属球体积相比足够小，金属球内充入爆炸性气体到平衡大气压，气球内、外压力、温度，平衡为始态参数，点火令金属球内气体爆燃成准静态过程使气球内、外气体过渡到终态压力温度，用当量氢氧气体自然温度指示终态压温，气球外气体是近似等容过程，气球内气体是等熵过程，

(6)或等熵过程，气球内装入定量纯质气体或定比例混合气体，气球内气体体积和金属刚性球体积相比不限大小，金属球内充入爆炸性气体到平衡大气压和298.15K温度，气球内外都平衡到始态压力和温度，点火令金属球内气体爆燃成准静态过程，压迫气球内气体缩小，升温，由始态过渡到终态，

(7)或等压过程，气球内装入爆炸性气体，金属球内装入空气，金属球体积和气球体积相比足够的大，始态参数为平衡大气压 和298.15K温度，点火令气球内爆炸气体爆燃成准静态过程，由始态过渡到终态，

(8)或可变炸压、炸温的等容、等熵过程，气球11内装入3％金属球容积量过程气体，气球19内装入炸样_①，金属球内充入空气至平衡大气压，气球11内、外气体平衡至始态压力温度，点火令气球19内炸样_①爆炸，且炸破气球19，准静态过程将气球11内、外气体驱动到终态压力温度，气球内气体是等熵过程，气球外气体是近似等容过程，

(9)利用上述步骤得到的始、终态压力，温度值计算等温可逆功W_R，等容热容C_V，等压热容C_P，热容比γ。采用上述方案，使用本装置能准确地获得四大热力过程中各个热力学过程的始态和终态参数，实验误差小，将所得到的值可用于计算等温可逆功W_R，等容热容C_v，等压热容C_P，热容比γ，从而实现了本发明的目的。

下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。

附图说明

图1为一种测量四大热力过程热力学参数的驱动模型测试装置主视图；

图2为一种测量四大热力过程热力学参数的等温压缩驱动模型测试装置简图；

图3为一种测量四大热力过程热力学参数的等温膨胀驱动模型测试装置简图；

图4为一种测量四大热力过程热力学参数的等容过程、等熵过 程的驱动模型测试装置简图；

图5为一种测量四大热力过程热力学参数的等压过程的驱动模型测试装置简图；

图6为一种测量四大热力过程热力学参数的可变压力，温度的等容、等熵过程的驱动模型测试装置简图。

具体实施方式

如图1所示的驱动模型测试装置，有一个带支撑装置的刚性耐压容器1，一般为金属制品，但如果采用其他材料能作成符合标准的耐压容器，也在本申请的保护范围内，支撑装置为一组支脚2，在容器的壁上开有孔，本实施例开有一组上、下孔，孔口处配合塞入一接头3、4，通常上接头3伸入气球内，下接头4伸入刚性容器内腔，沿孔口边缘固定一短管5加固，短管5的端部通过丝口与一中心有孔管帽6固定连接，管帽通过垫圈7，垫片8与接头的上端面接触压紧接头，接头与孔口之间塞有密封圈9，当然固定接头3、4也可以采用其它方式，但均在本申请的权利保护内，这是可以理解的。接头沿轴线方向通过开孔穿入多个功能装置的连接线，管10，所述的多个功能装置包括在实验中，需要涉及的均需在一端设置传感器，通过导线与显示装置相连，本实验中还涉及点火装置，加热装置，恒温装置，气化吸热装置，这些装置均需通过连接线、管10一端连接伸入容器1、一端为执行元件，另一端连接工作装置，线，管连接有必要的阀、开关等。在接头3伸入容器内腔的端部连接有一气球11，接头3的端部开有一凹圈12，气球11的口进入凹圈12定位后用线拴紧，当然，接头3上的连接线，管 10端部均被容纳在气球内，如方案所述，气球包括乳胶气球或塑料气球或铝铂气球或金属薄膜气球，依据实验需要选择某种气球，例如本实施例优先选用乳胶气球。

采用上述装置可以极其方便准确的测出四大热力过程各个过程的热力学参数，包括：

实施例1：等温可逆压缩过程驱动模型测试系统。

在如图2所示的简图中与气球与相连的接头3所连接的线，管10在气球内的一侧分别连接有温度传感器，压力传感器，一个装有气化剂的小瓶13，恒温器，温度探头，一根输气管与3外的三通阀14相连，下接头4除装有常规的测试头外，也有一根管固定一个盛丁烷的小瓶15，从三通阀14准确注等温过程气体空气298.15K定量空气入气球内，注过程驱动气体空气入金属球内，让气球内过程气体平衡到始态压力P₁＝atm，始态温度T₁＝298.145K，atm为平衡大气压。定量注入气化吸热液体，比如丁烷入小金属瓶13，连续气化吸热。同时开动过程驱动力压气泵，连续压金属球外空气入金属球内成为过程驱动气体，压气球内过程气体体积缩小放热，正好被连续气化的丁烷吸收，由恒温器调节进入金属球进气量，使气球内过程气体温度动态平衡于298.15K，连续气化的丁烷气体以混合气体方式等量从三通阀14排出。气球外丁烷的气化吸热，防止球外过程驱动气体温度太大波动，也平衡于298.15K左右。当气球内丁烷气化完后，关三通阀和气泵，过程气体被等温绝热地驱动到n_T倍压力的终态压力P₂＝n_Tatm，终态温度T₂＝298.15K，该过程中过程气体始终保持298.15K和平衡的气球壁温度298.15一致， 和气球壁基本无热交换，实现了等温绝热机制。该过程中的等温可逆热量，是定量丁烷气化热，等温可逆压缩功由热力学公式计算。

实施例2：等温可逆膨胀过程驱动模型测试系统。

如图3和图2所示，二模型结构几乎一样，只需将气球内的丁烷气化器件折去，装上已知功率电热器，电热丝16便成为等温可逆膨胀模型。仍然从三通阀14准确注入298.15K定量空气过程气体入气球内，开气泵，向金属球内泵入过程驱动空气，将气球内过程气体压缩到n_T倍大气压。平衡到始态压力P₁＝n_Tatm，始态温度T₁＝298.15，开已知功率电热器，让电热丝连续放热。同时从三通阀放出金属球内气体，以一个较小负压驱动力，驱动气球11过程气体膨胀吸热，等量吸去由电热丝放的热量，恒温器通过调节出气量，使气球内过程气体动态平衡于298.15K，金属球内气体膨胀吸热亦有类似机制。当气球内过程气体的压力等温，绝热地降到终态压力P₂＝atm，终态温度T₂＝298.15时，停止从三通阀放气，关电源停止电热丝16、17放热。过程始、终态压力温度信息由测试系统储存，该等温膨胀过程，仍然实现了等温绝热机制。该膨胀过程中的可逆热是恒功率电热器16放热。该膨胀过程中的可逆功由热力学公式计算。

实施例3：等容过程和等熵过程驱动模型测试系统。

如图4所示的气球-金属球结构中，带三通阀的气管，测试系统的温度传感器，压力传感器，密封穿过上接头入气球内；带三通阀的气管，火花电极18的导线密封穿过下接头4入金属球内。从三通阀准确注百分之三金属球容积量等熵过程气体298.15K氮气 入气球，从带三通阀的气管注298.15K炸样_①等容过程气体入金属球内至平衡大气压，平衡二过程气体于始态：

触火花发生器18产生电火花，引燃炸样_①，过程驱动力-爆炸产热量，使爆炸气体，产物混合气体瞬间升温升压n_V倍，变成过程气体和过程驱动气体，将气球内外过程气体驱动到终态：

测试系统储存始态和终态温度、压力信息，用热力学公式计算气球内气体热容比，用公式计算气球外气体的等容热容和始态等容热容。爆燃反应瞬间发生，气球内的等熵过程气体N₂，和气球外的等容过程爆炸气体及其产物气体，还来不及和器壁热交换，二过程已完成，实现瞬间绝热机制。

如果换一个装有气压表和三通阀气管的上接头，在气球内注入相当于金属球体积3％量的氢氧当量气体，在气球外注入炸样_⑤至平衡大气压，平衡至始态压力、温度引燃炸样_⑤，将气球内过程气体驱动达到终态最大温度T_压而发生氢氧气体的爆炸，但未炸破气球，气压表记录了始、终态压力；当量氢氧气体的自燃温度是800K表示氢氧气体起到气体传感器作用，配制的炸样_⑤刚巧能将其压燃。这里的气压表和氢氧自燃温度起到了简易测试系统作用，气压表测量了炸压，自然温度测量压温＝800K用以计算氢氧当量气体的热容比。因目前还未有测量瞬间高温的温度传感器，所以用当量 氢氧混合气体的自燃温度代替温度传感器。

可燃性气体和当量纯氧气的爆炸反应是最强烈的反应，当在该反应中，加入掺入性气体或叫当量反应外气体，比如，N₂、CO₂、隋性气体以及超出当量反应的氧气和可燃性气体本身，它们都可以减弱爆炸反应的强度，参入性气体参入量若多出爆炸下限时，便不会发生爆炸反应。可以在爆炸下限和最强烈爆炸反应之间，由参入性气体加入量的不同，可以配制成若干个不同爆炸强度的已知爆热的炸样：比如丁烷的五个炸样

①C₄H₁₀+6.5O₂+47.5N₂＝4CO₂+5H₂O+47.5N₂-(丁烷高热值燃烧焓2877100-水气化焓44010×5)÷(4+5+47.5)＝47080J·mol^-1产气

②C₄H₁₀+6.5O₂+38N₂＝4CO₂+5H₂O+38N₂-(2877100-44010×5)÷(4+5+38)＝-56530J·mol^-1产气

③C4H10+6.5O2+21.5N2＝4CO2+5H2O+21.5N2-(2877100-44010×5)÷(4+5+21.5)＝87120J·mol-1产气

④C4H10+6.5O2+17N2＝4CO2+5H2O+17N2-(2877100-4401×5)÷(4+5+17)＝-102200J·mol-1产气

⑤C4H10+65O2+9N2＝4CO2+5H2O+9N2-(2877100-44010×5)÷(4+5+9)＝-147600J·mol-1产气

炸样_①表示，1mol丁烷气加6.5mol氧气+47.5mol氮气，爆炸后，生成4mol二氧化碳气、5mol水蒸气，47.5mol氮气，放出爆热-470800×(4+5+47.5)J。即相当于平均每mol^-1产气放出-47080J热量用来驱动该等容过程的进行，使最终的产物混合气体由外推的始态压力P₁、温度T₁、瞬间达到终态压力P₂、温度T₂、由电火花引燃的丁烷爆炸反应是一种爆燃反应，在爆燃波阵面两侧的压力、 温度、密度变化都是连续的，可微分的，所以爆燃过程是一个准静态过程。

用差爆热的炸样_②实验，平衡到始态压力P₁＝atm，始态温度T₁＝298.2K后，用电火花引燃爆炸，过程气体瞬间由外推的始态压力P₁，始态温度T₁＝298.2K，绝热的准静态地到达终态压力P₂＝n_v②P₁，始态温度T₂＝n_v②T_1②，测试系统储存始态终态信息。

根据拓展的热容公式C＝(Q_炸②-Q_炸①)/(T_2②-T_2①)......(1)计算到平均温度时的等容热容。

用炸样①和炸样②重复做八对次以上，比如做十三对差爆热量爆炸，测量到十三对平均炸温计算出十三个等容热。将十三个等容热容取平均值C_V；十三个平均温度取总平均温度，取总平均温度的自然对数，做横坐标。平均热容做纵坐标，绘直角坐标图。

令产物混合气体的平均等容等于298.15K热容的W倍。即

其中C_V0是298.15K的气体热容。

根据298.15K混合气体热容的计算C_VO混合＝(aC_V0a+bC_V0b+cC_V0c+...)/(a+b+c+...)，其中的a、b、c表示a种气体，b种气体，c种气体的摩尔数，可知298.15K时混合气体的热容是各独立气体298.15K热容按比例的贡献。则在相同温度时，任意气体的热容都是各自298.15K时热容的W倍，称为W值同温原理，即C＝WC₀...(2)。

移平均温度对数横坐原点至(ln298.15)-1处，则得产物混合气体总平均温度时的平均热容是：

$\bar{C}v={\bar{C}}_{\mathrm{VO}}\ln \mathrm{eT}/T_O$

当换一对炸样，比如炸样④和炸样⑤，再重复做十三对差热量爆炸实验，仍然得到上述公式。再换第三对、第四对也得到上述公式。多次重复等压热容实验也是到上式。写成一般式：

$C=C_O\ln \frac{\mathrm{eT}}{T_o}······\left(3\right)$

公式(3)表示，在等容或等压过程中，温度Tk时的热容和298.15K热容成正比，和升高温度倍数的e倍的自然对数成正比，称为热容定律，用折项法或积分法，由公式(3)可以得到：

$Q=C_{\mathrm{OT}}\ln \frac{T}{T_o}······\left(4\right)$

公式(4)表示，在等容或等压过程中，热量和298.15K的热容成正比，和升高温度成正比，和升高温度倍数的自然对数成正比。称为热量定律，由公式(4)计算Tk升高1K时需要的热量便又得到公式(3)。

由公式(3)可得γ＝C_P/C_V＝(C_P0lneT/T₀)÷(C_VOlneT/T₀)＝C_P0/C_VO...(5)

公式(5)表示，在任何温度时稳定气体的热容比γ等于298.15K时的等压热容C_P0除以等容热容C_VO，是一个常量，称为热容比定律，需要说明的是，上述公式(2)、(3)、(4)、(5)均是本专利申请实验过程中推导出来的。

有公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)后，可以测量计算平均温度或任何温度时的等容热容、等压热容，和热容比，可以测算任何炸温时的热容，可以测算参入性气体298.15K的热容和任一温度时的热容。

实施例4：可变压力、温度的等容、等熵过程驱动模型测试系统。

如图6所示的气球-金属球结构中，带三通阀气管，测试系统的温度传感器和压力传感器密封穿过上接头3入气球11内；带三通阀气管和火花电极导线密封穿过下接头4入气球19内；带三通阀气管密封穿过下接头4入金属球内。从三通阀准确注百分之三金属球容积量等熵过程气体N₂298.15K入上接头气球11内。从三通阀注入等容过程气体炸样_①入下接头所连气球19，气体量为刚性容积的1/2。从三通阀注空气入金属球内，开三通阀，让金属球内全部气体都平衡于始态压力P₁＝atm，始态温度T₁＝298.15，关三通阀，触火花发生器产生电火花，引燃气球内炸样_①，如果气球未炸破，气球19内气体和金属球内气体均无一个确切的过程变化，可以不考虑，但对气球11内过程气体N₂确是一个标准的低温低压的等熵过程并被驱动到终态压力P₂＝n_Satm，终态温度T₂＝n_S^(r-1)/r×298.15，并用公式T₂/T₁＝n_S^(r-1)/r计算热容比。

如果气球炸破，高温的爆炸气体再加热金属球内封闭的空气，于金属球内便产生一个低温低压的近似等容过程，并被驱动到终态压力P₂＝nvatm，终态温度T₂＝n_V×298.15，而气球(1)内过程气体N₂亦被压缩，也产生一个等熵过程的终态压力P₂＝n_Satm，终态温度T₂＝n_S^(r-1)/r。

气球炸破时金属球内过程混合气体的等容热容可以用公式(3)计算，如炸破两次后，测的炸温，可用拓展的公式(1)计算很近似的等容热容。

如果下气球19被刚性网包住，所谓的刚性网为钢丝或硬质尼龙网，将气球和球外的空间抽成高负压，再将气球爆破冲出刚性网， 便能测量始负压下热容比。

实施例5：等压过程驱动模型测试系统。

如图5所示的气球-金属球结构中，带三通阀气管和火花电极导线密封穿过上接头入气球；带三通阀气管和测试系统的压力传感器差压传感器与温度传感器密封穿过下接头入金属球内。从三通阀准确注等压过程气体炸样_③298.15K小于金属容积的2％入气球，炸样_③是过程气体，也是过程驱动气体，还是过程驱动力。爆炸的热量加热爆炸气体成为了过程驱动气体，亦成为了等压过程气体。当触火花发生器产生电火花引爆炸样_③驱动气球膨胀的时候，便导致了这一等压过程，并将过程的始态压力P₁＝atm，始态体积V₁，始态温度T₁＝298.15K，瞬间绝热的、准静态的，将封闭于气球内过程气体近似于等大气压地推到了终态压力P₂＝atm+ΔP，ΔP表示微差压，终态温度T₂＝n_P×298.15K，扩大n_p倍的终态体积V₂＝n_pV₁。因为金属球内过程气体的体积和气球内等压过程气体体积相比时，足够的大，气球内炸样_③的爆炸过程就是一个很近似的等压爆炸过程。由测试系统储存始、终态时压力、差压ΔP和温度的信息，进行第二次差爆热量等压爆炸储存压力温度信息，用公式(1)计算等压热容。作两次这样的差热量爆炸用公式(1)、(2)、(3)(4)便计算到平均升温时的等压热容，和298.15K时的等压热容，渗入性气体的等压热容，以及单次爆炸炸温时的等压热容等。