空气热机实验

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1、四川大学物理探索与创新实验之空气热机试验空气热机实验研究化学工程学院过程装备与控制工程1班摘要：掌握空气热机原理及循环过程，测量不同冷热端温度时的热功转换值，作nA/ΔT与ΔT/T1的关系图，验证卡诺定理。测量并指出热机输出功率随负载及转速的变化关系。关键词：空气热机、卡诺循环、卡诺定理、输出功率【前言】热机是将热能转换为机械能的机器。历史上对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与卡诺循

2、环等热力学中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。【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【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，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，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。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。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。

3、作者:男，化学工程学院09级过程装备与控制工程1班学生，主要从事化工机械设备控制、设计等方面的研究。四川大学物理探索与创新实验之空气热机试验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时，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。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1a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

4、运动，如图1b所示，在此过程中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1d所示。在一次循环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：η=A/Q1=（Q1-Q2）/Q1=（T1-T2）/T1=ΔT/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

5、为冷源的绝对温度。实际的热机都不可能是理想热机，由热力学第2定律可以证明，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：η≦ΔT/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量接近可逆机。就温度而言，应尽量的提高冷热源的温度差。热机每一循环从热源吸收的热量Q1正比于ΔT/n，n为热机转速，η正比于nA/ΔT。n，A，T1及ΔT均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/ΔT，观察它与ΔT/T1的关系，可验证卡诺定理。当热机带负载时，热机向负载输出的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

6、测量计算出不同负载大小时的热机实际效率。【实验仪器】仪器主要包括空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器及电源作者:男，化学工程学院09级过程装备与控制工程1班学生，主要从事化工机械设备控制、设计等方面的研究。四川大学物理探索与创新实验之空气热机试验1空气热机实验仪(1).电加热型热机实验仪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高低温区的温度。在仪器前面板上提供压力和体积的模拟信号，供连接示波器显示P-V图。力矩计悬挂在飞轮轴上，调节螺钉可调节力矩计与轮轴之间的摩擦力，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

7、擦力所做的功。经简单推导可得热机输出功率P=2πnM，式中n为热机每秒的转速，即输出功率为单位时间内的角位移与力矩的乘积。(2).空气热机电加热器电源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，可以根据实验的实际需要调节加热电压。当热机转速超过15n/s后，主机会输出信号将电加热器电源输出电压断开，停止加热。2空气热机测试仪处理热机实验仪采集的压力、温度、转速信号，并显示转速，高、低温的温度，及高、低温之差；同时可以输出压力、体积信号到示波器。3各部分仪器的连接方法将各部分仪器安装摆