真空與溫關(guān)系的測(cè)量

1、 真空度與溫度關(guān)系的測(cè)量徐進(jìn)朋（東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024）摘要：真空是指在給定的空間內(nèi)，氣體分子密度低于該地區(qū)大氣壓下的氣體分子密度的稀薄氣體狀態(tài)，不同的真空狀態(tài)有不同的氣體分子密度。真空度是對(duì)氣體稀薄氣體稀薄程度的一種客觀量度。本實(shí)驗(yàn)旨在分別通過(guò)以空氣，金屬，水為介質(zhì)探究真空度與溫度度的關(guān)系。關(guān)鍵詞： 真空度 溫度Abstract: the vacuum is to point to in a given space, density of gas molecule under the region condition of gas molecule density o

2、f rarefied gas under atmospheric pressure, different vacuum state has a different density of gas molecules. The degree of vacuum degree is to thin thin gas an objective measure. This experiment want to make the air, metals, and water as the medium to explore the relationships about vacuum and temper

3、ature .引言 自19世紀(jì)以來(lái)真空技術(shù)發(fā)展迅猛，也越來(lái)越多的影響了人們的生活。小到真空包裝技術(shù)大到航空航天工程，無(wú)不體現(xiàn)著真空技術(shù)的巨大作用與應(yīng)用前景。從理論上真空度與氣體壓強(qiáng)直接相關(guān)，而溫度對(duì)于氣體壓強(qiáng)的影響往往是起著決定性作用。因此探究真空度與溫度的關(guān)系對(duì)于更加廣泛的普及真空技術(shù)，惠及普通民眾有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。1實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)儀器 圖 1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖 圖 2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)所用的裝置由金屬油擴(kuò)散泵TK-150、機(jī)械泵、符合真空計(jì)ZDF-I-LED、玻璃閥門(mén)（K11K14）、真空密封膠圈、玻璃鐘罩、溫度計(jì)、透明膠帶等組成。如圖1、圖2所示。1.2實(shí)驗(yàn)原理熱力學(xué)的研究已經(jīng)證明

4、一般氣體狀態(tài)可用范德瓦爾斯方程（P+a/V2）（V-b）=RT來(lái)表示；其中，P、V和T分別代表氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度，R是氣體常數(shù)，a代表分子之間的相互吸引，b為分子的體積，且a，b對(duì)于不同的氣體有不同的值。由方程可以看出氣體溫度T與容器壓強(qiáng)存在關(guān)系。壓強(qiáng)又是真空度的一種度量，因此真空度與溫度存在著一對(duì)一的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)就是在控制容器容積不變的情況下探究容器真空度與溫度的關(guān)系。1.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程 由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，考慮電子溫度計(jì)的靈敏度，以及空氣作為熱的不良導(dǎo)體。直接測(cè)量真空中的溫度變化存在很大難度，本實(shí)驗(yàn)將分別以三種物質(zhì)空氣，鐵，水為導(dǎo)熱介質(zhì)，以電子溫度計(jì)度量壓強(qiáng)變化時(shí)介質(zhì)溫度的變化以此反應(yīng)真空

5、環(huán)境的溫度。具體過(guò)程如下：（1）以空氣為介質(zhì)將溫度計(jì)金屬帽端懸空，固定好后將溫度計(jì)放在玻璃鐘罩內(nèi)，放好玻璃鐘罩。抽氣過(guò)程：關(guān)閉玻璃閥門(mén)K14，打開(kāi)機(jī)械泵電源K12、K11、K10，分別記錄溫度計(jì)的數(shù)值與壓強(qiáng)。放氣過(guò)程：關(guān)玻璃閥門(mén)K11、K12關(guān)機(jī)械泵電源，分別記錄壓強(qiáng)與水溫。（2）以金屬為介質(zhì) 將溫度計(jì)金屬帽端固定在鍍件臺(tái)架上，固定好后將溫度計(jì)放在玻璃鐘罩內(nèi)，放好玻璃鐘罩。抽氣過(guò)程：關(guān)閉玻璃閥門(mén)K14，打開(kāi)機(jī)械泵電源K12、K11、K10，分別記錄溫度計(jì)的數(shù)值與壓強(qiáng)。放氣過(guò)程：關(guān)玻璃閥門(mén)K11、K12關(guān)機(jī)械泵電源，分別記錄壓強(qiáng)與水溫。 （3）以水為介質(zhì)用100ml燒杯去少量水（能浸沒(méi)溫度計(jì)金屬

6、帽為宜），置于真空玻璃罩中，將溫度計(jì)浸沒(méi)水中。（若水太多，隨著氣壓降低，水中空氣會(huì)冒出，造成類似沸騰的現(xiàn)象，此過(guò)程水容易濺出燒杯），實(shí)驗(yàn)過(guò)程和（1）和（2）步驟相同。2分析討論根據(jù)實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)分別繪出三種條件下的溫度與壓強(qiáng)變化曲線。以空氣為介質(zhì)曲線如圖3所示；以金屬為介質(zhì)的曲線如圖4所示；以水為介質(zhì)的曲線如圖5所示。圖 3以空氣介質(zhì)溫度與壓強(qiáng)變化 圖4金屬介質(zhì)度溫度與壓強(qiáng)變化圖3為空氣介質(zhì)情況下測(cè)得的p-t圖像，由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，所以在容器溫度劇烈變化時(shí)，溫度計(jì)感知不明顯，圖4為金屬介質(zhì)是測(cè)得的圖像，雖然金屬是熱的良導(dǎo)體但溫度計(jì)與金屬接觸不緊密，導(dǎo)致測(cè)得的溫度不能準(zhǔn)確反映容器溫度。但

7、兩者均能大致反映出相同體積情況下，壓強(qiáng)溫度隨壓強(qiáng)的減小而降低這一現(xiàn)象。圖5以水為介質(zhì)度溫度與壓強(qiáng)變化的曲線圖5為水做介質(zhì)時(shí)測(cè)得的p-t曲線，由于水導(dǎo)熱性能不差，且可與溫度計(jì)金屬帽緊密接觸，所以用它測(cè)出的曲線能準(zhǔn)確的反映溫度隨壓強(qiáng)，或者是隨真空度的變化。下面具體分析一下此過(guò)程的現(xiàn)象將盛裝液體的容器放入冷阱已經(jīng)被預(yù)冷的凍干機(jī)真空蒸發(fā)室中,啟動(dòng)真空泵通過(guò)冷凝室對(duì)真空室抽真空。當(dāng)真空室內(nèi)氣體壓力接近當(dāng)時(shí)液體溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)(通常 2000Pa),液體內(nèi)部溶解的氣體開(kāi)始大量放出并伴隨液體發(fā)生沸騰,即出現(xiàn)第一次暴沸現(xiàn)象。通過(guò)控制抽氣速率,能夠適當(dāng)減弱暴沸的程度。進(jìn)入液體大量蒸發(fā)階段,液體質(zhì)量迅速下降,冷凝室的冷阱上霜層明顯增長(zhǎng)。液體溫度則經(jīng)歷了由初始溫度下降至冰點(diǎn)和較長(zhǎng)時(shí)間保持在冰點(diǎn)的二個(gè)階段,在后一階段有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)輕微的過(guò)冷現(xiàn)象凍結(jié)階段,有急凍和慢凍二種情況。冰升華階段。如果冷阱的溫度足夠低的話,當(dāng)液體全部或表面凍結(jié)成冰后,會(huì)繼續(xù)升華,冰的質(zhì)量和溫度都繼續(xù)下降。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殡S著真空度升高，水中氣體外溢，造成類似爆沸現(xiàn)象。同時(shí)由于真空度的升高，容器溫度降低造成水結(jié)冰現(xiàn)象。這也印證了本實(shí)驗(yàn)結(jié)論真空度越高溫度越低。3實(shí)驗(yàn)結(jié)論本實(shí)驗(yàn)通過(guò)真