篇一：空氣熱機實驗論文報告

　　摘要：熱機是將熱能轉換為機械能的裝置，空氣熱機結構簡單、便于操作。空氣熱機實驗通過對空氣熱機探測儀、計算機等操作來理解空氣熱機原理及循環(huán)過程。通過電加熱器改變熱端溫度測量熱功轉換值，作出nA/ΔT與ΔT/ T1的關系圖，驗證卡諾定理。逐步改變力矩大小來改變熱機輸出功率及轉速，計算、比較熱機實際轉化效率。試驗表明:在一定誤差范圍內,隨熱端溫度升高nA/ΔT與ΔT/ T1的關系呈現(xiàn)性變化，驗證卡諾定理。熱端溫度一定時輸出功率隨負載增大而變大，轉速而減小。

　　關鍵詞：卡諾定理;空氣熱機;卡諾循環(huán)

　　熱機是將熱能轉換為機械能的機器。歷史上對熱機循環(huán)過程及熱機效率的研究為熱力學第二定律的確立起了奠基性的作用。斯特林1816年發(fā)明的空氣熱機，以空氣作為工作介質，是最古老的熱機之一。雖然現(xiàn)在已發(fā)展了內燃機，燃氣輪機等新型熱機，但空氣熱機結構簡單，便于幫助理解熱機原理與卡諾循環(huán)等熱力學知識。 空氣熱機的結構如圖一所示，熱機主機主要有高溫區(qū)、低溫區(qū)、工作活塞和位移活塞、氣缸、飛輪、連桿，熱源等組成。

　　由電熱方式加熱位移活塞，其作用是在循環(huán)過程中使氣體在高溫區(qū)與低溫區(qū)間不斷交換，氣體可通過位移活塞與位移氣缸間的間隙流動，提高高溫與低溫間的溫度差可以提高熱機效率。位移活塞與工作活塞通過連桿與飛輪連接，他們的運動是不同步的，其中一個處于極值時，速度最小，另一個活塞速度最大。

　　圖一 空氣熱機工作原理示意圖

　　當工作活塞向下移時，位移活塞迅速左移，使汽缸內氣體向高溫區(qū)流動，如圖1 a所示；進入高溫區(qū)的氣體溫度升高，使汽缸內壓強增大并推動工作活塞向上運動，如圖1 b 所示，在此過程中熱能轉換為飛輪轉動的機械能；工作活塞向頂端移動時，位移活塞迅速右移，使位移汽缸內氣體向低溫區(qū)流動，如圖1 c所示；進入低溫區(qū)的氣體溫度降低，使汽缸內壓強減小，同時工作活塞在飛輪慣性力的作用下向下運動，完成循環(huán)，如圖1 d 所示。在一次循環(huán)過程中氣體對外所作凈功等于P-V圖所圍的面積。

　　根據(jù)卡諾對熱機效率的研究而得出的卡諾定理，對于可逆循環(huán)的理想熱機，熱功轉換效率為：

　　A/Q1Q1Q2/Q1(T1T2)/T1T/T1

　　式中A為每一個循環(huán)中熱機做的功，Q1為熱機每一循環(huán)從熱源吸收的熱量，Q2為熱機每一個循環(huán)向冷源放出的熱量，T1為熱源的絕對溫度，T2為冷源的絕對溫度。

　　由于熱量損失，實際的熱機都不可能是理想熱機，循環(huán)過程也不是可逆的，所以熱機轉化效率：

　　T/T1，只要使循環(huán)過程接近可逆循環(huán)，就是盡量提高冷源與熱源的溫度差。

　　熱機循環(huán)過程從熱源吸收的.熱量正比于nA/T，n為熱機轉速，所以：正比于nA/T。測量不同熱

　　端溫度時的nA/T，觀察與T/T1的關系，可驗證卡諾定理。同一功率下，調節(jié)力矩計與轉軸的摩擦改變熱機實際輸出功率P0，計算出不同負載大小時的熱機效率。同時轉速n也會改變，觀察P0n

　　關系圖，表示同一輸出功率下，輸出耦合不同時輸出功率隨耦合的關系。

　　一、 實驗儀器與方法：

　　電熱ZKY-RJ型空氣熱機實驗儀如圖二示

　　圖二 電加熱型熱機實驗裝置圖

　　飛輪下部裝有雙電門，上面的一個用于定位工作活塞的最低位置，下面一個用于測量飛輪轉動角度。氣缸的體積隨工作活塞的位移而改變，活塞的位移改變通過飛輪測得，在飛輪邊緣均勻排列45個擋片，由光電門信號確定飛輪位置，進而計算氣缸體積。壓力傳感器與工作汽缸底相通，測量汽缸的壓力得到體積變化。底座的三個插座分別與實驗測試儀相連，在儀器顯示窗口顯示熱機轉速、高低溫區(qū)的溫度、P-V圖。加熱器輸出電壓24V-36V可調，可根據(jù)實驗的實際需要調節(jié)加熱電壓。

　　力矩計懸掛在飛輪軸上，調節(jié)螺釘可調節(jié)力矩計與轉軸之間的摩擦力，由力矩計可讀出摩擦力矩M，可得出熱機輸出功率P2nM，即單位時間內的角位移與力矩的乘積。

　　二、 試驗內容、步驟:

　　第一部分:測量不同熱端溫度的熱功轉換值，驗證卡諾定理。

　　連接測試儀面板和電腦的，各儀器之間的端口，開始試驗。將加熱電壓加之最大檔（11檔），等待6~10分鐘（大約在溫差在100K以上），加熱電阻絲已發(fā)紅后，用手順時針撥動飛輪，熱機即可運轉。減小加熱電壓至第一檔，打開電腦輔助軟件，觀察壓力和容積信號，并把P-V圖調節(jié)到最適合觀察的位置。等待大約10

　　分鐘，溫度和轉速平衡后，記錄加熱電壓，讀取溫度和轉速，記于表一中。逐步加大加熱功率，重復上

　　述測量過程4次以上，在表一中記錄數(shù)據(jù)。以ΔT/ T為縱坐標，在坐標紙上作nA/ΔT與ΔT/ T1的關系圖，驗證卡諾定理。

　　第二部分：測量不同輸出功率下，轉速和實際效率的變化。

　　在最大加熱功率下，觸動飛輪停止轉動，在飛輪上裝上力矩計，撥動飛輪，讓熱機繼續(xù)運動。調節(jié)力矩計的摩擦力（不要停機），待輸出力矩、轉速、溫度穩(wěn)定后，在表二中讀取記錄各項參數(shù)。保持輸出功率不變，逐步增大輸出力矩，重復以上實驗步驟5次以上。以n為橫坐標，P0為縱坐標，作出n與P0的關系圖。表示同一輸出功率下，輸出耦合不同時輸出功率或效率隨耦合的變化關系。

　　三、 實驗結果：

　　表一 測量不同冷熱端溫度時的熱功率轉換值

　　表二 測量熱機輸出功率、效率隨負載及轉速的變化關系

　　圖一 電腦觀察到的熱機實驗P_V實驗圖圖二 電腦觀測到的容積和壓力變化曲線

　　四、 分析與結論：

　　由表格數(shù)據(jù)可作圖結果分析，在外加負載不變的情況下，隨著熱功率增大，nA/ΔT與ΔT/ T1基本具有線性關系，驗證了卡諾定理。在同一加熱功率下，隨摩擦力矩加大，轉速降低，熱端溫度升高，溫度差加大，輸出效率加大。對于輸出力矩繼續(xù)加大時，輸出功率如何變化，是繼續(xù)變大還是轉折本實驗未能涉及，也是實驗要改進的地方。

　　五、 參考文獻:

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　　包科達，熱物理學基礎，高等教育出版社，2001.12;

　　閆全英、劉迎云，熱質交換原理與設備，機械工業(yè)出版社，2006.6 黃曉圣、王劍，關于卡諾定理證明的教學探討，大學物理，2002.21

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