一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台，包括气缸、气容、步进电机、水浴锅和数据处理系统，气容为密封的空腔容器，所述气缸与数个气容之间密封连通，气缸和气容共同置于所述水浴锅内；步进电机与气缸的活塞连接，驱动活塞运动；所述气缸的活塞上设置有位移传感器，所述气容上密封安装有压力传感器，所述位移传感器、压力传感器与数据处理系统通讯连接；所述数据处理系统接收位移传感器和压力传感器的测量数据，并能够绘制气体的P

【技术实现步骤摘要】
一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台


[0001]本技术涉及热力学实验
，特别是涉及一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台。

技术介绍

[0002]有限时间热力学是经典热力学的延伸和推广，是上世纪30年代发展起来的不可逆热力学的一个新的分支，是物理学中非平衡热力学领域的重要组成部分。同时，有限时间热力学也是现代热力学理论的一个交叉领域，是在当前热力工程应用的理论工具之一。这一领域主要研究非平衡系统在有限时间热力学过程中的能量传输和不可逆行为满足的规律。尽管有限时间热力学的理论研究在过去的几十年取得了较大发展，但目前依然缺乏能对有限时间热力学的若干理论预言进行直接检验的实验系统和方法。此外，热力学的教学在物理和热力工程两个学科的高等教育阶段也有重要地位。目前，高校的热力学演示实验和探究实验集中在平衡态热力学框架内，还没有能对非平衡热力学系统或者有限时间热力学过程进行定量研究的教学与探究的实验平台。
[0003]造成上述困难的主要原因是缺乏能精确测量非平衡热力学系统若干热力学量随时间演化的实验方法和实验系统。相比于机械系统，热力学系统中做功和传热的精确测量存在相当的难度；相比于平衡态热力学过程，测量有限时间热力学过程中的非平衡热力学系统的若干热力学量对测量精度和系统的控制方式都有较高的要求。
[0004]本技术针对上述对非平衡热力学系统实验研究的困难，设计了一套基于理想气体的有限时间热力学实验平台。这一平台可以对一系列有限时间热力学的理论预言进行原理性验证，作为对理论研究的重要补充。同时，这一平台也可以用于高校非平衡热力学和工程热物理的实验演示和实验教学，可以很好地补充当下该领域实验教学内容的缺乏。

技术实现思路

[0005]本技术要解决的技术问题是提供一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台，使其能够精确测量和计算得到有限时间热力学系统中的待测物理量，从而弥补现有的缺少有限时间热力学实验装置的缺失。
[0006]为解决上述技术问题，本技术提供一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台，包括气缸、气容、步进电机、水浴锅和数据处理系统，其中：
[0007]所述气容为密封的空腔容器，所述气缸与数个气容之间密封连通，气缸和气容共同置于所述水浴锅内；
[0008]所述步进电机与气缸的活塞连接，驱动活塞运动；
[0009]所述气缸的活塞上设置有位移传感器，所述气容上密封安装有压力传感器，所述位移传感器、压力传感器与数据处理系统通讯连接；
[0010]所述数据处理系统接收位移传感器和压力传感器的测量数据，并能够绘制气体的P
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V曲线。
[0011]作为本技术的一种改进，所述步进电机能够调节活塞运动速度和行程。
[0012]进一步地，所述气容的数量为三个。
[0013]进一步地，所述压力传感器的相对精度为0.2％。
[0014]进一步地，所述位移传感器的相对精度为0.1％。
[0015]采用这样的设计后，本技术至少具有以下优点：
[0016]1、本技术提供一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台和实验方法能够测量有限时间热力学过程的热力学量随过程时间的变化，能够构造有限时间热力学循环并测定循环的功率和效率，弥补国内外有限时间热力学领域定量实验研究的缺失。
[0017]2、本技术设计的实验平台成本低廉，各组件易于加工组装，相应的操作方案简单易行，可进行和进一步开发的实验丰富，可作为高校物理学科非平衡热力学领域和工程热物理学科的教学仪器，用于演示实验和探究实验。
[0018]3、使用本技术测定并绘制气体P
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V曲线，可以直接给出对气体做功的精确测量，进而测量气体传热、不可逆熵产生等热力学量。
[0019]4、测量精度高，做功的测量精度达到了0.2J,相对精度为0.3％。
附图说明
[0020]上述仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
[0021]图1是本技术提供的一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台的结构示意图。
[0022]图2是有限时间等容过程实验中压力随时间变化拟合曲线图。
[0023]图3是有限时间等温过程实验中不可逆功随时间变化关系图。
[0024]图4是构造有限时间卡诺循环实验中的压力
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体积曲线图。
[0025]附图标记说明：1
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气缸；11
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活塞；2
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气容；3
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步进电机；4
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水浴锅； 5
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压力传感器；6
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位移传感器；7
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数据处理系统。
具体实施方式
[0026]请参阅图1，本技术提供了一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台，包括气缸1、气容2、步进电机3、水浴锅4、压力传感器5、位移传感器6和数据处理系统7。
[0027]所述气缸1包括密封的缸体和活塞11，所述活塞11与步进电机3连接，由步进电机3驱动而直线运动，用于压缩或拉伸气缸1内气体。所述气容2 为密封的空腔容器，用于容置气体。所述气缸1与气容2之间密封连通，并且两者共同置于水浴锅4之内。
[0028]所述气缸1的活塞11上设置有位移传感器6，所述位移传感器6的相对精度为0.1％，用于测量活塞11的位移量，从而计算得出气缸1内气体的体积。所述气容2上端开孔，并密封安装有压力传感器5，所述压力传感器 5的相对精度为0.2％，用于测量气缸1内气体的压力。
[0029]所述位移传感器6和压力传感器5均与数据处理系统7通讯连接，所述数据通讯系统7接收来自位移传感器6和压力传感器5的实时数据，并绘制出气体在压缩或膨胀过程中的P
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V曲线图。
[0030]优选的，所述步进电机3能够调节活塞11的运动速度、运动行程以及运动时间。
[0031]需要说明的是，在本实施例中，所述气容2的数量为3个，在其他实施例中，气容2的数量可以为其他值。
[0032]本技术在使用时的实验步骤如下：
[0033](1)将气体封入气缸1和气容2之中，并将气缸1和气容2整体置于水浴锅4中，加水并确保水浴没过气缸1和气容2上端；
[0034](2)打开水浴锅4的水循环系统，并设定水浴的预设温度T；
[0035](3)设置步进电机3的控制程序，预设气缸1的活塞11的推进或拉伸行程和速度；
[0036](4)待水浴锅4的水温达到预设温度T时，打开步进电机3，使气缸1 的活塞11开始运动，并同时打开压力传感器5和位移传感器6，实时记录气体的压力和活塞的位移量；
[0037](5)数据处理系统接收压力数据和位移数据，计算出体积数据，即可得到气体的压强随时间变化数据P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于理想气体的有限时间热力学实验平台，其特征在于，包括气缸、气容、步进电机、水浴锅和数据处理系统，其中：所述气容为密封的空腔容器，所述气缸与数个气容之间密封连通，气缸和气容共同置于所述水浴锅内；所述步进电机与气缸的活塞连接，驱动活塞运动；所述气缸的活塞上设置有位移传感器，所述气容上密封安装有压力传感器，所述位移传感器、压力传感器与数据处理系统通讯连接；所述数据处理系统接收位移传感器和压力传感器的测量数据，并能够绘制气体的P
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V...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宇翰，翟若迅，陈劲夫，孙昌璞，董辉，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院研究生院，
类型：新型
国别省市：