PASCO物理组合实验系列 热效率组合实验 乔卫平编译 0 PASCO scientific 冠 Model TD-8564 © THERMAL EFFICIENCY APPARATUS c99H9 HEATER Cold Hot Reservoir Reservoir Q ORO洲-O-O 人9 THERMISTOR TA。 Heat W Engine 1
PASCO 物理组合实验系列 热效率组合实验 乔卫平编译 1
上海交通大学物理实验中心 2
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热效率组合实验 这台热效率仪既可用作热机，又可用作热泵。当用作热机时，以热源取出的热 量被用来形成电流，通过一个负载电阻做功。热机效率的实验值可与理论值做比较。 此仪器的核心是一个热电转换器，叫做Peltier仪。为了获得无限热源与冷源， 一端必须接在冰水中，另一端用一个发热电 阻供热。 Cold 辅助仪器：一个DC电源(2.5A,12V, Hot G) SF9584),一个欧姆表，一个电流表(3A), 2个电压表，若干导线及3kg冰及一桶冰水。 核心原理：温差效应是当两种不同金属 连结，又将两端放入不同温度时产生电动势。 n 而此仪器利用了温差效应。当如图1所示两 ●opper 种不同半导体两端浸入不同温度时，在半导 体中产生电流，通过负载电阻做功。 Figure 1:Arrangement of Thermocouples 实验原理 1热机 在本实验中，负载电阻所做的功作为焦耳热散失。实际效率 W Piv l= On PH 其中Qu=W+Qc,P=Pw+Pc。 卡诺热机效率 TH-Tc Ta 卡诺热机是在忽略摩擦、热传导、热辐射和焦耳热散失情况下效率最高的热机。 调整效率：计入任何可能的能量损失，则实际效率会更接近卡诺效率，说明热机效率 不可能为100%。 2热泵 热泵是利用外界做功，把热量从低温源送到高温热源。 实际致冷系数 K=COP= Pc Pw 最大致冷系数：Kma= TH-To 调整致冷系数：考虑热损失后，实际致冷系数趋于最大致冷系数。 实验测量 3
热效率组合实验 这台热效率仪既可用作热机，又可用作热泵。当用作热机时，以热源取出的热 量被用来形成电流，通过一个负载电阻做功。热机效率的实验值可与理论值做比较。 此仪器的核心是一个热电转换器，叫做 Peltier 仪。为了获得无限热源与冷源， 一端必须接在冰水中，另一端用一个发热电 阻供热。 辅助仪器：一个 DC 电源（2.5A，12V， SF-9584），一个欧姆表，一个电流表（3A）， 2 个电压表，若干导线及 3kg 冰及一桶冰水。 核心原理：温差效应是当两种不同金属 连结，又将两端放入不同温度时产生电动势。 而此仪器利用了温差效应。当如图 1 所示两 种不同半导体两端浸入不同温度时，在半导 体中产生电流，通过负载电阻做功。 实验原理 ⒈热机 在本实验中，负载电阻所做的功作为焦耳热散失。实际效率 QH W l = H W P P = 其中QH=W+QC，PH=PW+PC。 卡诺热机效率 H CH cawnot T − TT l = 卡诺热机是在忽略摩擦、热传导、热辐射和焦耳热散失情况下效率最高的热机。 调整效率：计入任何可能的能量损失，则实际效率会更接近卡诺效率，说明热机效率 不可能为 100%。 ⒉热泵 热泵是利用外界做功，把热量从低温源送到高温热源。 实际致冷系数 K=COP= W C P P 最大致冷系数：Kmax= CH C TT T − 调整致冷系数：考虑热损失后，实际致冷系数趋于最大致冷系数。 实验测量 3
能直接测量的量有三个：温度，输入热源功率，负载功率。 1.温度 如图4中，开关拨向左边读冷源温度， Ohmmete 右边读热源温度。读出的是热敏电阻阻值， 9V Power 可对照表格查出温度。 Supply In Q亚 2热源功率 P=lh·UH 因内阻变化，必须测出I与U,缺一不 Out OOOO 可。 3.负载功率 U2 Pw=p R Figure 4:Thermal Efficiency Apparatus 负载电阻误差1%，且不随温度改变。 当作热泵时，不用负载电阻，故输入功率为 Pw=IwUw 不能直接测量，但在调整中要用的量有内阻、散热与冷源被抽走的热量。 ①内阻 按图6接线，在有负载情况下得 K-Rr-,=0 其中V,为负载两端电压，R为所选负载电阻。 Conducted Power Supply Figure 6:Heat Engine With A Load 同样条件下按图7接线，在无负载情况下，读出负两端电压为Vs,于是
能直接测量的量有三个：温度，输入热源功率，负载功率。 ⒈温度 如图 4 中，开关拨向左边读冷源温度， 右边读热源温度。读出的是热敏电阻阻值， 可对照表格查出温度。 ⒉热源功率 PH=IH·UH 因内阻变化，必须测出 I 与 U，缺一不 可。 ⒊负载功率 R U PW 2 = 负载电阻误差 1%，且不随温度改变。 当作热泵时，不用负载电阻，故输入功率为 PW=IWUW 不能直接测量，但在调整中要用的量有内阻、散热与冷源被抽走的热量。 ①内阻 按图 6 接线，在有负载情况下得 =−− 0)( W W S Vr R V V 其中VW为负载两端电压，R为所选负载电阻。 同样条件下按图 7 接线，在无负载情况下，读出负两端电压为VS，于是 4
Conducted P.(open) Power Supply Figure 7:No Load ②散热 假设热辐射与热传导在工作与不工作时一样，则散热即为高温热源不工作时向低温热 源提供的能量，即PH(开路)。 ③冷源被抽走的热量 可以用热源吸收的数量减去做功求得。 热源在不同温差时向冷源传热可以自己测量后制成一张表。由于保持热源恒温 时能量守恒，可以通过测量无负载时的热源输入功率求得此温差下的散热。 5
R V VV W WS )( − γ = ②散热 假设热辐射与热传导在工作与不工作时一样，则散热即为高温热源不工作时向低温热 源提供的能量，即PH（开路）。 ③冷源被抽走的热量 可以用热源吸收的数量减去做功求得。 热源在不同温差时向冷源传热可以自己测量后制成一张表。由于保持热源恒温 时能量守恒，可以通过测量无负载时的热源输入功率求得此温差下的散热。 5
实验1.热机与温差 实验仪器 实验目的 确定热机的实际效率和卡诺效率是运行温度的函数。 实验准备 1.准备好冰水浴，将两根管子插入冰水浴中。 2.将变压器连上电线插入水泵电源，这时水泵启动。 3.将欧姆表插入上方的热敏电阻插孔。 4.在右端红接线柱上接上电源、电流表及电压表，并将电压调至约11V。(注意：不应在 超过80℃时连续运行5分钟以上，温度一旦达到93℃，内部电路将自动切断。) 5.任选下方一个负载电阻，用导线跨接如图1.1。 ●Power Supply Figure 1.1 实验步骤 1.等待冷端与热端平衡（约5至10分钟）。若想加速这一过程，可以先逐步增大电压，等 热端升温后再调回原值。 2.测量热，冷端温度（电阻）。 3.测量VH,IH,Vw。 4.工作电压调低2V。 5.重复1至4，记录下共5组数据。 表1.1热机数据 6
实验 1.热机与温差 实验仪器 实验目的 确定热机的实际效率和卡诺效率是运行温度的函数。 实验准备 1． 准备好冰水浴，将两根管子插入冰水浴中。 2． 将变压器连上电线插入水泵电源，这时水泵启动。 3． 将欧姆表插入上方的热敏电阻插孔。 4． 在右端红接线柱上接上电源、电流表及电压表，并将电压调至约 11V。（注意：不应在 超过 80℃时连续运行 5 分钟以上，温度一旦达到 93℃，内部电路将自动切断。） 5． 任选下方一个负载电阻，用导线跨接如图 1.1。 实验步骤 1． 等待冷端与热端平衡（约 5 至 10 分钟）。若想加速这一过程，可以先逐步增大电压，等 热端升温后再调回原值。 2． 测量热，冷端温度（电阻）。 3． 测量VH，IH，VW。 4． 工作电压调低 2V。 5． 重复 1 至 4，记录下共 5 组数据。 表 1.1 热机数据 6
TH(k) Tc(k) TH(C) Tc(℃) Va Vw 3 4 计算（表1.2） 1.计算PH与Pw。 2.计算温差△T=TrTc。 3.计算实际效率儿。= ,与卡诺效率(c= H-Te。 Pa Tu 表1.2计算值 Pa Pw TH(k) Tc(k) △Tk) eactua eCamot 1 2 x 5 分析及问题 为比较实际效率与卡诺效率，可采用作图法。在同一张图上作出。一△T图与 Lc-△T图，并比较。 注意：我们在此假定T为定值或近似不变。 1.卡诺效率是实际热机在结定温差下工作时的最大效率，图上的实际效率是否低于卡诺效 率呢？ 2.温差增加时，卡诺效率与实际效率是增加还是减少？ 3.实际效率占理想效率一定比例，所以实际效率综合反映了可用能量与使用可用能量的本 领。你能算出本热机使用可用能量的本领吗？ 4.本机效率低下，但这类低效率机仍被广泛使用，其原因是什么？
TH(kΩ) TC(kΩ) TH(℃) TC(℃) VH IH VW 1 2 3 4 5 计算（表 1.2） 1． 计算PH与PW。 2． 计算温差△T=TH-TC。 3． 计算实际效率 H W a P P l = ，与卡诺效率 H CH C T − TT l = 。 表 1.2 计算值 PH PW TH(k) TC(k) ΔT(k) eactual eCarnot 1 2 3 4 5 分析及问题 为比较实际效率与卡诺效率，可采用作图法。在同一张图上作出 图与 图，并比较。 l a Δ− T l C Δ− T 注意：我们在此假定TC为定值或近似不变。 1． 卡诺效率是实际热机在结定温差下工作时的最大效率，图上的实际效率是否低于卡诺效 率呢？ 2． 温差增加时，卡诺效率与实际效率是增加还是减少？ 3． 实际效率占理想效率一定比例，所以实际效率综合反映了可用能量与使用可用能量的本 领。你能算出本热机使用可用能量的本领吗？ 4． 本机效率低下，但这类低效率机仍被广泛使用，其原因是什么？ 7
实验2.热机效率研究 实验仪器 实验目的 确定热机的实际效率和卡诺效率， 实验准备 1.准备好冰水浴，将两根管子插入冰水浴中。 2.将变压器连上电线插入水泵电源，这时水泵启动。 3.将欧姆表插入上方的热敏电阻插孔。 实验步骤 两种工作状态：闭路态（热机工作）与开路态（热机不工作）。闭路态为正常工作状态， 开路态用来测量热源的热散失。 1.闭路态：同前一实验1-3步 2.开路态： A.断开工作电阻的导线。 B.降低热源电压，使其在原温度平衡，记录TH(K2),Tc(K2)。 C. 记录VH,IH,Vp(即开路电压Vs)。 表2.1数据 状态 TH(k) Tc(k2) TH(℃) Tc(℃) VH Ig Vw 热机 开路 计算（表2.2与2.3） 1.实际效率：= Py,Pw= R PH =IaVn 表2.2计算数据 内阻=r= 状态 THk) Tc(k) PH Pw Iw 热机(22负载) 开路 表2.3结果
实验 2.热机效率研究 实验仪器 实验目的 确定热机的实际效率和卡诺效率， 实验准备 1． 准备好冰水浴，将两根管子插入冰水浴中。 2． 将变压器连上电线插入水泵电源，这时水泵启动。 3． 将欧姆表插入上方的热敏电阻插孔。 实验步骤 两种工作状态：闭路态（热机工作）与开路态（热机不工作）。闭路态为正常工作状态， 开路态用来测量热源的热散失。 1． 闭路态：同前一实验 1-3 步 2． 开路态： A． 断开工作电阻的导线。 B． 降低热源电压，使其在原温度平衡，记录TH（KΩ），TC（KΩ）。 C． 记录VH，IH，VP（即开路电压VS）。 表 2.1 数据 状态 TH(kΩ) TC(kΩ) TH(℃) TC(℃) VH IH VW VS 热机 开路 计算（表 2.2 与 2.3） 1． 实际效率： HHH W W H W VIP R V P P P ,, === 2 l 表 2.2 计算数据 内阻= r = 状态 THk) TC(k) PH PW IW 热机（2Ω负载） 开路 表 2.3 结果 8
实际 调整 最大（卡诺） % 效率 2.最高效率：。= Tn-Te Ta 3.调整效率： 实际做功为P片=八。+r=及+伦 A. r, 而原来P= 丘只是有用功。 R B。实际高温热源提供热量为PH=PH一PH开路)，因为PH(开)为热散失在任何情况下均存 在。 C. 调整效率（调整= P。Pm+IR PPH-PH路) D. 调整后百分误差D%--(整×100%。 问题 1.温差减小，三种效率变化如何？ 2.为何大量使用这样低效率的热机？ 3计烟变对海热版名O儿-分计第心销变为正还是有？为什么 9
实际 调整 最大(卡诺) % 效率 2． 最高效率： H CH C T − TT l = 3． 调整效率： A． 实际做功为 r R V R V rIpP W W wwW 2 2 1 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +=+= ，而原来 R V P W W 2 = 只是有用功。 B． 实际高温热源提供热量为 ，因为P )( 1 HH −= PPP H 开路 H（开路）为热散失在任何情况下均存 在。 C． 调整效率 ( ) 开路 调整 H H WW H W PP RIP P P − + == 2 1 1 l ，其中 R V VV r W WP ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 。 D． 调整后百分误差 D%= %100 max max × − l ll 调整 。 问题 1． 温差减小，三种效率变化如何？ 2． 为何大量使用这样低效率的热机？ 3． 计算熵变，对每一热源 T P T tQ t s = Δ Δ = Δ Δ / ，计算总熵变为正还是负？为什么？ 9
实验3.热泵致冷效率 实验仪器 注意：做本实验前，必须先完成实验2，以获得内阻。 实验准备 1.连接器材 2.输入功率衡定，工作至冷，热源均平衡 3.测出输入功率Vw,Iw,Pw及热，冷源温度TH,Tc 4.根据温差查散失热量表 或用开路电路调至前一热源温度，测出散失热量P for measuring temperatures to AC supply to ice water tub OwOwOwC -Power +Supply for driving the Peltier device for measuring P.=V for measuring V Figure 3.1 Heat Pump Mode 实验步骤 0
实验 3. 热泵致冷效率 实验仪器 注意：做本实验前，必须先完成实验 2，以获得内阻。 实验准备 1． 连接器材 2． 输入功率衡定，工作至冷，热源均平衡 3． 测出输入功率VW，IW，PW及热，冷源温度TH，TC 4． 根据温差查散失热量表 或用开路电路调至前一热源温度，测出散失热量PH 实验步骤 10