空气热机原理实验

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1、空气热机实验热机是将热能转换为机械能的机器。历史上対热机循环过程及热机效率的研究，曾为热力学第二定律的确立起了奠基性的作用。斯特林1816年发明的空气热机，以空气作为工作介质，是最古老的热机之一。虽然现在已经发展了内燃机、燃气轮机等新型热机，但空气热机结构简单，便于帮助理解热机原理少卡诺循环等热力学中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。一、实验目的1、理解热机原理及循环过程；2、测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理；3、测量热机输出功率随负载及转速的变化关系，计算热机实际效率。二、实验原理空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主机由高温区、低温区、工作活

2、塞及汽缸、位移活塞，以及汽缸、飞轮、连杆、热源等部分组成。热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞伦的下方为工作活塞与工作汽缸，飞伦的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸Z间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区，可用电热方式或酒精灯加热，位移汽缸左边有散热片，构成低温区。工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞，其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换，气体可通过位移活塞与位移汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当某一活塞处于位置极值吋，它本身的速度最小，而另一个活塞的

3、速度最大。图1空气热机工作原理当工作活塞处于最底端时，位移活塞迅速左移，使汽缸内气体向高温区流动，如图la所示；进入高温区的气体温度升高，使汽缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，如图lb所示，在此过程屮热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移，使汽缸内气体向低温区流动，如图1C所示；进入低温区的气体温度降低，使汽缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下运动，完成循环，如图Id所示。在一次循坏过程中气体对外所作净功等于P-V图所围的面积。根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理，对于循环过程可逆的理想热机，热功转换效率：n=A/Q1=(Q

4、1-Q2)/Ql=(T1-T2)/T1=AT/T1式中A为每一循环中热机做的功，Q1为热机每一循环从热源吸收的热量，Q2为热机每一循环向冷源放出的热量，T1为热源的绝对温度，T2为冷源的绝对温度。实际的热机都不可能是理想热机，山热力学第二定律可以证切，循环过程不可逆的实际热机，其效率不可能高于理想热机，此时热机效率：nWAT/T1卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际的不可逆机尽虽接近可逆机。就温度而言，应尽虽的提高冷热源的温度差。本实验中，A、T1及AT均可测量，A与H成正比，测量不同冷热端温度时的A,可验证卡诺定理。当热机带负载时，热机向负载输出的

5、功率可由力矩计测量计算而得，且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。在这种情况下，可测量计算出不同负载大小时的热机实际效率。三、实验仪器本实验所用仪器为空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器和电源，以及双踪示波器。1、空气热机实验仪空气热机为电加热型，其结构图见图2c热机飞轮下部装有•双光电门，上边的一个用以定位工作活塞的最低位置，下边的一个用以测量飞轮转动角度。热机以光电门信号为采样触发信号。在飞伦边缘均匀排列45个挡光片，采用光电门信号上下沿均触发方式，飞伦每转4度给出一个触发信号，由光电门信号可确定飞轮位置，由于飞轮的位置与工作活塞的位移冇对应关系，而汽缸的

6、体积随工作活塞的位移而变化，因ifljnBI-算出汽缸体积。压力传感器通过管道在工作汽缸底部与汽缸连通，测量汽缸内的压力。在高温和低温区都装冇温度传感器，测量高低温区的温度。底座上的三个插座分别输出转速/转角信号、压力信号和高低端温度信号，使用专门的线和实验仪相连，传送实时的测量信号。电加热器上的输入电压接线柱分别使用黄、黑两种线连接到电加热器电源的电压输出正负极上。热机实验仪采集光电门信号，压力信号和温度信号，经微处理器处理后，在仪器显示窗口显示热机转速和肓低温区的温度。在仪器而面板上提供压力和体积的模拟信号，供连接双踪示波器显示P・v图。所有信号均可经仪器前而板上的

7、串行接口连接到计算机。加热器电源为加热电阻提供能量,输出电压从24V〜36V连续可调,可以根据实际需要调节加热电压。图2电加热型热机实验装置图力矩计悬挂在飞轮轴上，调节螺钉可调节力矩计与轮轴Z间的摩擦力，由力矩计可读出摩擦力矩M,并进而算出摩擦力和热机克服摩擦力所做的功。经简单推导可得热机输出功率P=2JinM,式中n为热机侮秒的转速，即输出功率为单位时间内的角位移与力矩的乘积。2、加热器电源电加热器给热机加热，采用热电阻加热方式，最高加热温度可达150°C,其面板（见图3）上各按钮、开关、接口定义如下：1—电流输出指示灯：肖显示表显示电