空气热机实验论文报告

空气热机试验摘要：热机是将热能转换为机械能的装置，空气热机结构简单、便于操作。空气热机实验通过对空气热机探测仪、计算机 等操作来理解空气热机原理及循环过程。通过电加热器改变热端温度测量热功转换值，作出nA/AT与T1的关系图， 验证卡诺定理。逐步改变力矩大小来改变热机输出功率及转速，计算、比较热机实际转化效率。试验表明:在一定误差范围内, 随热端温度升高nA/AT与AT/ T1的关系呈现性变化，验证卡诺定理。热端温度一定时输出功率随负载增大而变大，转速 而减小。关键词：卡诺定理;空气热机;卡诺循环引言: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环等 热力学知识。空气热机的结构如图一所示，热机主机主要有高温区、低温区、工作活塞和位移活塞、气缸、飞轮、 连杆，热源等组成。由电热方式加热位移活塞，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 位移活塞与位移气缸间的间隙流动，提高高温与低温间的温度差可以提高热机效率。位移活塞与工作活塞 通过连杆与飞轮连接，他们的运动是不同步的，其中一个处于极值时，速度最小，另一个活塞速度最大。图一 空气热机工作原理示意图当工作活塞向下移时，位移活塞迅速左移，使汽缸内气体向高温区流动，如图1 a 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运动，如图1 b 所示， 在此过程中热能转换为飞轮 转动的机械能；工作活塞向顶端移动时，位移活塞迅速右移，使位移汽缸内气体向低温区流动，如图 1 c 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1 d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，对于可逆循环的理想热机，热功转换效率为：二 A/小Q)Qi=(T -T )/T1 2 1=AT / T1式中A为每一个循环中热机做的功，Q1为热机每一循环从热源吸收的热量，Q2为热机每一个循环向冷源放出的热量，TT1为热源的绝对温度,TT2为冷源的绝对温度。由于热量损失，实际的热机都不可能是理想热机，循环过程也不是可逆的，所以热机转化效率：“AT/Ti，只要使循环过程接近可逆循环，就是尽量提高冷源与热源的温度差。热机循环过程从热源吸收的热量正比于nA/AT，n为热机转速，所以：“正比于nA/AT。测量不同热端温度时的nA/AT，观察与AT/Ti的关系，可验证卡诺定理。同一功率下，调节力矩计与转轴的摩擦改变PP n热机实际输出功率0，计算出不同负载大小时的热机效率。同时转速n也会改变，观察0 关系图，表 示同一输出功率下，输出耦合不同时输出功率随耦合的关系。一、实验仪器与方法：电热ZKY-RJ型空气热机实验仪如图二示:苗计IrsHrir汁弓门工士匡总臓口竦庐鬲哥 Fh- T1 TE图二电加热型热机实验装置图飞轮下部装有双电门，上面的一个用于定位工作活塞的最低位置，下面一个用于测量飞轮转动角度。气缸的体积随工作活塞的位移而改变，活塞的位移改变通过飞轮测得，在飞轮边缘均匀排列45个挡片，由 光电门信号确定飞轮位置，进而计算气缸体积。压力传感器与工作汽缸底相通，测量汽缸的压力得到体积 变化。底座的三个插座分别与实验测试仪相连，在仪器显示窗口显示热机转速、高低温区的温度、P-V图。 加热器输出电压24V-36V可调，可根据实验的实际需要调节加热电压。力矩计悬挂在飞轮轴上，调节螺钉可调节力矩计与转轴之间的摩擦力，由力矩计可读出摩擦力矩M, 可得出热机输出功率P = 2nKM，即单位时间内的角位移与力矩的乘积。二、试验内容、步骤：第一部分:测量不同热端温度的热功转换值，验证卡诺定理。连接测试仪面板和电脑的，各仪器之间的端口，开始试验。将加热电压加之最大档（11档），等待610分 钟（大约在温差在100K以上），加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，热机即可运转。减小加热电 压至第一档，打开电脑辅助软件，观察压力和容积信号，并把P-V图调节到最适合观察的位置。等待大约 10分钟，温度和转速平衡后，记录加热电压，读取温度和转速，记于表一中。逐步加大加热功率，重复上 述测量过程4次以上，在表一中记录数据。以AT/ T为纵坐标，在坐标纸上作nA/AT与AT/ T1的关系图，验 证卡诺定理。第二部分：测量不同输出功率下，转速和实际效率的变化。在最大加热功率下，触动飞轮停止转动，在飞轮上装上力矩计，拨动飞轮，让热机继续运动。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，在表二中读取记录各项参数。保持输出功率PP不变，逐步增大输出力矩，重复以上实验步骤5次以上。以n为横坐标，o为纵坐标，作出n与o的关系 图。表示同一输出功率下，输出耦合不同时输出功率或效率随耦合的变化关系。三、实验结果：表一测量不同冷热端温度时的热功率转换值加热电压V热端温度丫 1温度差ATAT/T1A（P-V图面积10 3）热机转nA/ AT /10-325.7492.0166.60.3390.07813.53.1128.6486.8161.70.3320.07613.33.0430.8491.4166.80.3390.07813.73.1531.8495.5170.20.3430.07914.23.27表二测量热机输出功率效率随负载及转速的变化关系热端温度T1度差AT输出力矩M/X10-3热机转速n输出功率P = 2n 兀 M 0输出效率0/i二P 0/PiX10*-4503.7181.44.010.8271.29622.8506.5183.16.09.3350.42429.5509.1184.88.57.6405.68834.2510.4186.210.07.0439.60037.1515.0190.211.06.5449.02037.8图一电脑观察到的热机实验p_v实验图图二 电脑观测到的容积和压力变化曲线四、分析与结论:由表格数据可作图结果分析，在外加负载不变的情况下，随着热功率增大，nA/AT与AT/ T1基本具 有线性关系，验证了卡诺定理。在同一加热功率下，随摩擦力矩加大，转速降低，热端温度升高，温度差 加大，输出效率加大。对于输出力矩继续加大时，输出功率如何变化，是继续变大还是转折本实验未能涉 及，也是实验要改进的地方。五、参考文献:1 大学物理综合设计实验，中国海洋大学物理实验教学中心，2011.1;2 张玉民，热学，中国科学技术出版社，2000. 5；3 常树仁，热学，南开大学出版社，2001.7;4 包科达，热物理学基础，高等教育出版社，2001.12;5 闫全英、刘迎云，热质交换原理与设备，机械工业出版社，2006.66 黄晓圣、王剑，关于卡诺定理证明的教学探讨，大学物理，2002.21