空氣熱機實驗報告范文

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摘要：熱機是將熱能轉換為機械能的裝置，空氣熱機結構簡潔、便于操作?？諝鉄釞C試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。通過電加熱器轉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。逐步轉變力矩大小來轉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:在肯定誤差范圍內(nèi),隨熱端溫度上升nA/ΔT與ΔT/T1的關系呈現(xiàn)性變化，驗證卡諾定理。熱端溫度肯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)過程及熱機效率的討論為熱力學其次定律的確立起了奠基性的作用。斯特林1816年創(chuàng)造的空氣熱機，以空氣作為工作介質，是最古老的熱機之一。雖然現(xiàn)在已進展了內(nèi)燃機，燃氣輪機等新型熱機，但空氣熱機結構簡潔，便于關心理解熱機原理與卡諾循環(huán)等熱力學學問?？諝鉄釞C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淌，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，位移活塞快速左移，使汽缸內(nèi)氣體向高溫區(qū)流淌，如圖1a所示；進入高溫區(qū)的氣體溫度上升，使汽缸內(nèi)壓強增大并推動工作活塞向上運動，如圖1b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，位移活塞快速右移，使位移汽缸內(nèi)氣體向低溫區(qū)流淌，如圖1c所示；進入低溫區(qū)的氣體溫度降低，使汽缸內(nèi)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1d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。

依據(jù)卡諾對熱機效率的討論而得出的卡諾定理，對于可逆循環(huán)的抱負熱機，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)從熱源汲取的熱量，Q2為熱機每一個循環(huán)向冷源放出的熱量，T1為熱源的肯定溫度，T2為冷源的肯定溫度。

由于熱量損失，實際的熱機都不行能是抱負熱機，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)過程從熱源汲取的熱量正比于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，觀看與T/T1的關系，可驗證卡諾定理。同一功率下，調(diào)整力矩計與轉軸的摩擦轉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也會轉變，觀看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、試驗儀器與方法：

電熱ZKY-RJ型空氣熱機試驗儀如圖二示

圖二電加熱型熱機試驗裝置圖

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轉變，活塞的位移轉變通過飛輪測得，在飛輪邊緣勻稱排列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試驗測試儀相連，在儀器顯示窗口顯示熱機轉速、凹凸溫區(qū)的溫度、P-V圖。加熱器輸出電壓24V-36V可調(diào)，可依據(jù)試驗的實際需要調(diào)整加熱電壓。

力矩計懸掛在飛輪軸上，調(diào)整螺釘可調(diào)整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(nèi)的角位移與力矩的乘積。

二、試驗內(nèi)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，開頭試驗。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，打開電腦幫助軟件，觀看壓力和容積信號，并把P-V圖調(diào)整到最適合觀看的位置。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。

其次部分：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，讓熱機連續(xù)運動。調(diào)整力矩計的摩擦力（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，重復以上試驗步驟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、試驗結果：

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

圖一電腦觀看到的熱機試驗P_V試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，在外加負載不變的狀況下，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，熱端溫度上升，溫度差加大，輸出效率加大。對于輸出力矩連續(xù)加大時，輸出功率如何變化，是連續(xù)變大還是轉折本試驗未能涉及，也是試驗要改進的地方。

五、參考文獻:

[1][2][3][4][5][6]

《高校物理綜合設計試驗》，中國海洋高校物理試驗教學中心，20xx.1;張玉民，熱學，中國科學技術出版社