研究背景

在热学教学中，理想气体是最基础的模型之一。现有热学教材都对理想气体的等温、等压、等容和绝热过程进行了充分的讨论，但对多方过程并没有作深入的讲解，只限于了解其定义及热容量的计算。该多方过程实验仪利用分步推进法实现指定指数的多方过程，有助于加深学生对多方过程的理解，培养学生开展热学实验研究。

实验研究内容

为弥补多方过程实验教学方面的空缺，本实验设计并搭建基于多方过程的数字化实验仪，以空气为工质，通过控制步进电机推进过程，压缩气缸内气体，实现多种热力学过程，该装置研究内容包括：

（1）利用等温过程测量任意容器内气体的热力学参数

（2）利用等容过程测定有效散热系数

（3）利用外推法测量空气比热容比

（4）利用分步推进法实现指定指数的多方过程

假设一热力学过程满足多方过程方程，在此基础上结合热力学第一定律、牛顿传热定律以及电机做功，解得活塞推进速度随时间的变化：

图1 推进速度与时间的关系曲线图

根据计算结果对步进电机进行编程，让推进速度随时间变化，可实现多方过程。但在实际实验中，步进电机的速度是不能连续变化的。我们可以采用分步推进法，将连续变化的速度分割成一些较小的区间，在每个区间内步进电机匀速推动活塞。

研究成果介绍

提供了一种集成化程度高、测量结果准确、可观测性强且自动化程度高的理想气体热力学过程实验仪，该实验仪主要由控制模块、气体模块、测量模块、采集模块等四个模块组成，可有效地实现各种热力学过程，这对于实验教学改革和创新有很大意义。此外，本实验也为一些物理量（如空气比热容比等）的测量提供了新思路。

图2 实验装置图

图3 热力学性质测试平台装置图

①控制模块；②气体模块；③测量模块；④采集模块

团队以该实验仪研究为基础于2022年获得了全国大学生物理实验竞赛创新赛国家一等奖，并以“基于气体多方过程的数字化实验仪”为题，于今年在《物理实验》杂志发表教学研究论文上，论文作者孔维怡、付聪、钟文龙、田宇、高宸，林友辉、苏国珍、苏山河。此外，该装置还分别申请了实用新型专利及发明专利，其中实用新型专利已获授权。

图4 文章首页

图5 实用新型专利证书

图6 发明专利申请受理书

图7 全国大学生物理实验竞赛创新赛国家一等奖获奖证书