空气热机实验原理介绍

空气热机实验实验原理介原理介原理介绍绍

热机是机是将将热能转换为转换为机械能的机器。机械能的机器。机械能的机器。历历史上史上对热对热对热机循机循机循环过环过环过程及程及程及热热机效率的机效率的研研究，曾究，曾为热为热为热力力学第2定律的定律的确确立

起了奠基性的作用。斯特林1816年发明的空明的空气气热机，以空机，以空气气作为工作介工作介质质，是最古老的，是最古老的热热机之一。机之一。虽虽然现在已

发展了展了内内燃机，燃燃机，燃气气轮机等新型机等新型热热机，但空机，但空气气热机结构简单简单，便于，便于，便于帮帮助理解助理解热热机原理机原理与与卡诺循环等热力学中的重要重要内内容，是很好的容，是很好的热热学实验实验教教学仪器。

【实验实验目的】目的】

1．理解理解热热机原理及机原理及热热循环过环过程程

2．测量不同量不同输输入功率（冷入功率（冷热热端温差改差改变变）下）下热热功转换转换效率，效率，效率，验证验证验证卡卡诺定理

3．测量热机输出功率出功率随随负载负载的的变化关系，系，计计算热机实际实际效率效率

【实验仪实验仪器】器】

空气热机，机，热热源（可源（可选择电选择电选择电加加热或酒精或酒精灯灯加热），），热热机实验仪实验仪，，计算机（或示波器），力矩算机（或示波器），力矩计计

【实验实验原理】原理】

空气热机的机的结结构及工作原理可用及工作原理可用图图1说明。明。热热机主机由高机主机由高温区温区温区，低，低，低温区温区温区，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，缸，飞轮飞轮飞轮，，连杆，杆，热热源等部分源等部分组组成。

热机中部机中部为飞轮为飞轮为飞轮与与连杆机杆机构构，工作活塞，工作活塞与与位移活塞通位移活塞通过连过连过连杆杆与飞轮连飞轮连接。接。接。飞轮飞轮飞轮的下方的下方的下方为为工作活塞工作活塞与与工作汽缸，缸，飞轮飞轮飞轮的右方的右方的右方为为位移活塞位移活塞与与位移汽缸，工作汽缸位移汽缸，工作汽缸与与位移汽缸之位移汽缸之间间用通用通气气管连接。位移汽缸的右接。位移汽缸的右边边是高是高温区温区温区，，可用可用电热电热电热方式或酒精方式或酒精方式或酒精灯灯加热，位移汽缸左，位移汽缸左边边有散有散热热片，片，构构成低成低温区温区温区。。

工作活塞使汽缸工作活塞使汽缸内内气体封体封闭闭，并在气体的推体的推动动下对外做功。位移活塞是非封外做功。位移活塞是非封闭闭的占位活塞，其作用是在循环过环过程中使程中使程中使气气体在高体在高温区温区温区与与低温区温区间间不断交换，气体可通体可通过过位移活塞位移活塞与与位移汽缸位移汽缸间间的间隙流隙流动动。工作活塞。工作活塞与与位移活塞的移活塞的运动运动运动是不同是不同是不同步步的，的，当当某一活塞某一活塞处处于位置于位置极值极值极值时时，它本身的速度最小，而本身的速度最小，而另另一个活塞的速度最大。

图1空气热机工作原理

当工作活塞工作活塞处处于最底端于最底端时时，位移活塞迅速左移，使汽缸，位移活塞迅速左移，使汽缸内内气体向高体向高温区温区温区流流动，如，如图图1 a 所示；所示；进进入高入高温区温区温区的的气体温度升高，使汽缸度升高，使汽缸内内压强增大增大并并推动工作活塞向上工作活塞向上运动运动运动，如，如，如图图1 b 所示，在此在此过过程中程中热热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞在最的机械能；工作活塞在最顶顶端时，位移活塞迅速右移，使汽缸，位移活塞迅速右移，使汽缸内内气体向低体向低温区温区温区流流动，如，如图图1 c 所示；所示；进进入低入低温温

区的气体温度降低，使汽缸度降低，使汽缸内内压强减小，同小，同时时工作活塞在工作活塞在飞轮惯飞轮惯飞轮惯性力的作用下向下性力的作用下向下性力的作用下向下运动运动运动，完成循，完成循，完成循环环，如，如图图1 d 所示。在一次循所示。在一次循环过环过环过程中程中程中气气体对外所作外所作净

净功等于P-V 图所围的面的面积积。根据根据卡卡诺对热诺对热机效率的机效率的机效率的研研究而得出的究而得出的卡卡诺定理，热机的机的热热功转换转换效率：效率：

η ∝（T 1-T 2）/T 1 = ΔT/ T 1

式中式中T T 2为冷源的冷源的绝对绝对绝对温温度，度，T T 1为热为热源的源的源的绝对绝对绝对温温度，度，热热机冷机冷热热源的源的温温度比度比值值越小，越小，热热机的机的热热功效率越高。本实验实验中，中，中，电热电热电热功率可以功率可以功率可以计计算，由算，由热热能转换转换的机械功率由的机械功率由P-V 图面积与热机每秒转速相乘而得，速相乘而得，测测量并计算不同冷算不同冷热热端温度时热时热功功转换转换效率，可效率，可效率，可验证验证验证卡卡诺定理。

当热机带负载时带负载时，，热机向机向负载输负载输负载输出的功率可由力矩出的功率可由力矩出的功率可由力矩计测计测计测量量计算而得，且算而得，且热热机实际输实际输出功率的大小出功率的大小出功率的大小随随负载负载的的变化而化而变变化。在化。在这这种情况下，可同下，可同时测时测时测量量计算出不同算出不同负载负载负载大小大小大小时时的热功转换转换效率和效率和效率和热热机实际实际效率。效率。

【仪器介器介绍绍】

1. 实验实验装装置介置介绍绍

整套实验实验装装置以置以电电加热器为例进行介绍，如，如图图2所示。

图2热机实验实验装装置图

飞轮飞轮下部下部下部装装有双光电门，上，上边边的一的一个个用以定位工作活塞的最低位置，下用以定位工作活塞的最低位置，下边边一个用以用以测测量飞轮转动角度。度。热热机实验仪实验仪以以光电门信号为采样触发信号。

汽缸的体汽缸的体积积随工作活塞的位移而工作活塞的位移而变变化，而工作活塞的位移化，而工作活塞的位移与与飞轮飞轮的位置有的位置有的位置有对对应关系，在系，在飞轮边飞轮边缘均匀排列45个挡光片，采用光电门信号上下沿均沿均触触发方式，方式，飞轮飞轮飞轮每每转4度给出一出一个个触发信号，由光电门信号可确定飞轮位置，位置，进进而计算汽缸体算汽缸体积积。

压力传感器通器通过过管道在工作汽缸底部在工作汽缸底部与与汽缸汽缸连连通，通，测测量汽缸量汽缸内内的压力。在高力。在高温温和低和低温区温区都装有温度传感

器，器，测测量高低量高低温区温区温区的的温度。底座上的三个插座分别输出转速/转角信角信号号、压力信号和高低端和高低端温温度信号，使用专门

的线和实验测试以主机相以主机相连连，传送实时实时的的测量信号。电加热器上的器上的输输入电压电压接接线柱分别使用黄、黑、黑两两种线连接

到电加热器电源的源的电压输电压输电压输出的出的正负极上。

热机实验仪采集光电门信号，压力信号和温度信号，经微处理器理器处处理后，在，在仪仪器显示窗口窗口显显示热机转速和

高低高低温区温区温区的的温度。在度。在仪

仪器前面板上提供压力和体力和体积积的模拟信号，供连接示波器显示P-V 图。所有信号均可经仪器前面板上的串行接口连接到计算机。

加热器电源为加热电阻提供能量，能量，输输出电压从24V~36V 连续可调，可以根据，可以根据实验实验实验的的实际需要进行调节加热

电压电压。。

力矩力矩计计悬挂在飞轮轴上，调节调节螺螺钉可调节力矩力矩计计与轮轴之间的摩擦力，由力矩力，由力矩计计可读出摩擦力矩M ，并进

而算出摩擦力和力和热热机克服摩擦力所做的功。经简单简单推推导可得可得热热机输出功率P=2πnM ，式中n 为热为热机机每秒的秒的转转速，即输出功率出功率为单为单为单位位时间时间内内的角位移位移与与力矩的乘力矩的乘积积。