四川大学空气热机实验报告
综合设计与创新物理实验空气热机实验报告
学院: XX学院
学生姓名: XX
学号: XX
二零XX年X月X日
空气热机实验报告
摘要：空气热机是利用空气不同温度的空气导致不同气压的原理，使空气产生流动从而将热能转换为机械能的机器。本实验测量了不同的冷热端温度时的热功转换值及热机输出功率随负载及转速的变化关系，验证了卡诺定理，探讨出热机效率的影响因素。
关键词：空气热机卡诺定理热工转换输出功率
1 实验过程
1.1 实验原理
空气热机主机由高温区，低温区，工作活塞及气缸，位移活塞及气缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。工作活塞使气缸内气体封闭，并在气体的推动下向外做功。当工作活塞处于最低端时，位移活塞迅速左移，使气缸内气体向高温区流动；进入高温区的气体温度升高，使气缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞处于最顶端时，位移活塞迅速右移，使气缸内气体向低温区流动，进入低温区的气体温度降低，使气缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下移动，完成循环。
卡诺根据对热机效率的研究而得出了卡诺定理。对于循环过程可逆的理想热机，热机转换效率：
η=A/Q1=(Q1-Q2)/Q1=(T1-T2)T1=△T/T1
实际的热机都不可能是理想热机，由力学第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≤△T/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。
当热机带负载时，热机向负载输出的功率可由力矩计测量而得，且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。
1.2 实验设备
1）空气热机实验仪（电加热型热机实验仪）
2）电加热器电源
3）双跟踪示波器
1.3 实验方法
1)测量不同冷热温度时的热功转换值
根据说明将各部分仪器连接起来，取下力矩计。打开电源，取下力矩计，将加热电压加到第11档（36伏左右），等待约6-10分钟，待加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，使热机运转起来（热机测试仪显示的温差△T在100度以上时易于启动）。
减小加热电压至第一档（24伏左右），调节示波器，观察压力和容积信号，以及压力和容积信号之间的相位关系等，并把P-V图调节到最适合观察的位置。等待约10分钟，温度
和转速平衡后，记录当前加热电压，并从热机测试仪上读取温度和转速，从示波器显示的P-V图估算P-V图面积，记下数据。
示波器P-V图面积估算方法如下。根据说明，用Q9线将仪器上的示波器输出信号和双跟踪示波器的X、Y通道相连。将X通道的调幅旋钮旋到“0.1V”档，将Y通道的调幅旋钮旋到“0.2V”档，然后将两个通道打到交流档位。观测已调整到理想位置的P-V图，估算每个小格的面积。示波器上横纵坐标单位分别为100mV、200mV，计算出一小格为0.02V2，又可知1V2=0.288J，所以每小格代表输出能量为0.00576J。根据小格数量算出A。
实验中第一次加热，即加热电压为23.8伏时，从示波器上显示的P-V曲线图如图1：
图1
逐步增加加热功率等待约10分钟，温度与转速平衡后，重复以上测量4次以上。
实验结果记入表1中：
加热电压V 热端温度T1温度差△T △T/T1A（P-V图面积）热机转速n nA/△T
23.8 429.5 122.3 0.284 0.02563 6.2 0.0013
25.6 433.0 125.1 0.290 0.02575 7.0 0.0014
27.6 447.6 138.1 0.309 0.02685 8.3 0.0016
28.6 458.6 147.1 0.321 0,02732 9.4 0.0017
29.6 472.3 157.8 0.334 0.02779 10.6 0.0019
表1 测量不同冷热端温度时的热功转换值
以△T/T1为横坐标，nA/△T为纵坐标，在坐标纸上作nA/△T与△T/T1的关系图，附图2
图2 不同冷热温度时的热功转换关系图
2）测量热机输出功率随负载及转速的变化关系
在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转，然后将力矩计装在飞轮轴上，拨动飞轮，让热机继续运转。调节力矩计的摩擦力（不要停机），待输出力矩，转速，温度稳定后，读取并记录各项参数于表2中。
保持输入功率不变，逐步增大输出力矩，重复以上测量5次以上。完成表2，数据处理结果如下：
输出功率：P i=VI=35.2×5.3≈187W
热端温度T1温度差△T 输出力矩M 热机转速n 输出功率
P o=2πnM 输出效率η0/i=P o/P i
512.8 197.9 0.001 12.4 0.078 0.04%
519.4 203.1 0.003 11.1 0.209 0.11%
525.4 208.3 0.0051 9.5 0.304 0.16%
538.6 219.3 0.0085 8.1 0.432 0.23%
547.1 227.6 0.010 6.8 0.427 0.23%
552.1 233.5 0.012 5.2 0.392 0.21%
表2 测量热机输出功率随负载及转速的变化关系
以n为横坐标，P o为纵坐标，在坐标纸上作P o与n的关系图（图3），表示同一输出功率下，输出偶合不同时输出功率或效率随偶合的变化关系。
图3 热机输出功率随负载及转速的变化关系
2 实验结果分析
1）从以上实验结果可看得出实验结论，在外加负载不变的情况下，随加热功率增大，nA/△T与△T/T1具有线性关系，验证了卡诺定理。
2）在同一加热功率下，岁摩擦力矩加大，转速降低，热端温度升高，温度差增加。输出效率先是随摩擦力矩的加大而增大，有一个最佳配点，过了该点后，由于转速下降较多，导致输出效率下降。
参考文献：
[1]马世红,童培雄,赵在忠,等.文科物理实验[M].高等教育出版社,2008
[2]黄建群,胡险峰,雍志华,等.大学物理实验[M].四川大学出版社,2005
[3]吴百诗.大学物理[M].西安交通大学出版社,2009
Air heat engine
College: xx
Name: xx
Student ID: xx
Abstract: The air heat engine is a kind of machine using the principle that different air temperature leads to different pressure to make the air flow, in which way the heat energy can be transformed to the mechanical energy. Through this experiment, the heat power conversion value and the relationship between the power of heat engine output and load & the change of rotating speed can be measured. The Cano theorem was verified; also the influence factors of the heat engine efficiency were discovered.
Key words: Air heat engine, Cano theorem, Thermal conversion, Output power