四川大学 创新型物理实验 空气热机实验

空气热机实验

1143092146 付美梅

(轻纺与食品学院轻化工程）

摘要：本实验利用空气热机测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理；后又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。最后，由此实验得到的一些创新想法。

关键词：空气热机；卡诺定理；热机效率；余热再用；火法冶金；鼓风；转鼓；风扇

热机[2]是将热能转换为机械能的机器。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。其结构简单，便于帮助理解热机原理与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。

卡诺定理[3]是卡诺1824年提出来的，其表述如下：

（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关,与可逆循环的种类也无关。

（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。

1 实验原理[1]

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。

空气在高温区和低温区间不断交换，使汽缸内压强不断变化，从而推动位移活塞和工作活塞的循环移动。

图1 空气热机工作原理

（1）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而实际热机：η ≦ΔT/ T1

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。而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，即可验证卡诺定理。

（2）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，可测量计算出不同负载大小时的热机实际效率。

2 实验装置及实验方法

本实验中使用的设备和装置有：空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器及电源，计算机（或双踪示波器）。

实验方法如下：

（1）测量不同冷热端温度时的热功转换值：

正确连接仪器，将力矩计尽可能的调松，打开电源，将加热电压加到第11档。等待加热电阻丝发红，当ΔT接近100K时，顺时针拨动飞轮令热机运转。

减小加热电压至第1档，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，从双踪示波器显示的P-V图估算P-V图面积，记入表1中。

逐步加大加热功率，等待约10分钟，温度和转速平衡后，重复以上测量4次以上，将数据记入表1。

以ΔT/ T1为横坐标，nA/ΔT为纵坐标，在坐标纸上作nA/ΔT与ΔT/ T1的关系图，验证卡诺定理。

（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。然后将力矩计调紧，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，将数据记入表2。

以n 为横坐标，Po 为纵坐标，在坐标纸上作Po 与n 的关系图，表示同一输入功率下，输出力矩不同时输出功率或效率随负载及转速的变化关系。

3 结果和讨论

（1）测量不同冷热端温度时的热功转换值（表1），作nA/ΔT 与ΔT/ T 1的关系图（图2），验证卡诺定理。

表1

加热电压V 热端温度T 1

温度差ΔT ΔT/ T 1 A （P-V 图面

积） 热机转速n nA/ΔT 23.9 424.5 118.0 0.2780 4.0×0.02 7.8

5.288×10-3 25.7 444.4 132.0 0.2970 4.0×0.02 9.8 5.939×10-3 27.7 461.6 143.4 0.3106 4.2×0.02 12.1

6.502×10-3 28.7 47

7.7 15

8.2 0.3312 4.4×0.02 13.2 7.343×10-3 2

9.7

489.8

168.5

0.3440

4.5×0.02

14.4

7.691×10-3

（2）测量热机输出功率随负载及转速的变化关系（表2），作图分析（图3）。

表2

输入功率P i =VI=29.7V×4.20A =125W 热端温度T 1 温度差ΔT 输出力矩M 热机转速n 输出功率 P o =2πnM 输出效率 ηo/i =P o /P i 500.8 177.5 5.0×10-3 10.4

0.327 0.26% 504.4 182.3 7.5×10-3 7.7 0.363 0.29% 513.2 191.9 10.0×10-3 5.8 0.364 0.29% 518.3 199.7 12.5×10-3 4.3 0.338 0.27% 524.4

208.0

15.0×10-3

3.2

0.302 0.24%

5.000

5.400

5.800

6.200

6.600

7.000

7.400

7.800

0.2000

0.25000.30000.35000.4000△T/T 1

nA/△T

×10-30.280

0.290

0.3000.3100.320

0.3300.340

0.3500.3600.370

0.3800.3900.4002.0 3.0 4.0 5.0 6.07.08.09.010.011.0

n

P 0

图2 图3

4 结论