《大学物理实验》课程教学资源（讲义）空气热机实验.docx_大学文库

第1页空气热机实验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，曾为热力学第2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中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。【实验目的】1.理解热机原理及循环过程2.测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理3.（选做）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【实验仪器】空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器及电源，计算机【实验原理】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。热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区，可用电热方式或酒精灯加热，位移汽缸左边有散热片，构成低温区。工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞，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汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当某一活塞处于位置极值时，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。b图1空气热机工作原理当工作活塞处于最底端时，位移活塞迅速左移，使汽缸内气体向高温区流动，如图1a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1b所示，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能：工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移，使汽缸内气体向低温区流动，如图1c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1d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，对于循环过程可逆的理想热机，热功转换效率：=A/Q=（Q-Q2）/Q=（T-T2）/T=△T/T式中A为每一循环中热机做的功，Q为热机每一循环从热源吸收的热量，Q为热机每一循环向冷源放出的热量，T,为热源的绝对温度，T，为冷源的绝对温度。实际的热机都不可能是理想热机，由热力学第2定律可以证明，循环过程不可逆的实际热机，其效率不可能高于理想热机，此时热机效率：n≤AT/T卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际的不可逆机尽量接近可逆机。就温度而言，应尽量的提高冷热源的温度差

第 1 页空气热机实验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，曾为热力学第 2 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中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。【实验目的】 1．理解热机原理及循环过程 2．测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理 3．（选做）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【实验仪器】空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器及电源，计算机【实验原理】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。热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区，可用电热方式或酒精灯加热，位移汽缸左边有散热片，构成低温区。工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞，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汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当某一活塞处于位置极值时，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。图 1 空气热机工作原理当工作活塞处于最底端时，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；工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移，使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 式中 A 为每一循环中热机做的功，Q1 为热机每一循环从热源吸收的热量，Q2 为热机每一循环向冷源放出的热量，T1 为热源的绝对温度，T2 为冷源的绝对温度。实际的热机都不可能是理想热机，由热力学第 2 定律可以证明，循环过程不可逆的实际热机，其效率不可能高于理想热机，此时热机效率： η ≦ ΔT/ T1 卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际的不可逆机尽量接近可逆机。就温度而言，应尽量的提高冷热源的温度差

第2页热机每一循环从热源吸收的热量Q正比于△T/n，n为热机转速，n正比于nA/△T。n，A，T.及△T均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/△T，观察它与△T/T.的关系，可验证卡诺定理。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。【仪器介绍】仪器主要包括空气热机实验仪（实验装置部分）和空气热机测试仪两部分。I，空气热机实验仪1.电加热型热机实验仪如图2所示低温端温度高温端温度力矩计传感器传感器输入电压接线柱测转速标记测角度标记胎飞轮双光电门压力传感器接口电加热器T1/T2转速/转角压力信号图2电加热型热机实验装置图飞轮下部装有双光电门，上边的一个用以定位工作活塞的最低位置，下边一个用以测量飞轮转动角度。热机测试仪以光电门信号为采样触发信号。汽缸的体积随工作活塞的位移而变化，而工作活塞的位移与飞轮的位置有对应关系，在飞轮边缘均匀排列45个挡光片，采用光电门信号上下沿均触发方式，飞轮每转4度给出一个触发信号，由光电门信号可确定飞轮位置，进而计算汽缸体积。压力传感器通过管道在工作汽缸底部与汽缸连通，测量汽缸内的压力。在高温和低温区都装有温度传感器，测量高低温区的温度。底座上的三个插座分别输出转速/转角信号、压力信号和高低端温度信号，使用专门的线和实验测试仪相连，传送实时的测量信号。电加热器上的输入电压接线柱分别使用黄、黑两种线连接到电加热器电源的电压输出正负极上。热机实验仪采集光电门信号，压力信号和温度信号，经微处理器处理后，在仪器显示窗口显示热机转速和高低温区的温度。在仪器前面板上提供压力和体积的模拟信号，供连接示波器显示P-V图。所有信号均

第6页11-T，／T,输入口（五芯）：用六芯连接线和热机相应的接口相连，输入T，／T，温度信号；12一转速/转角信号输入口（五芯）：用五芯连接线和热机相应的接口相连，输入转速/转角信号；②.测试仪后面板简介（见图6）13一转速限制接口：加热源为电加热器时使用的限制热机最高转速的接口：当热机转速超过15n/s（会伴随发出间断蜂鸣声）后，热机测试仪会自动将电加热器电源输出断开，停止加热：14一电源输入插座：输入AC220V电源，配1.25A保险丝；15一电源开关：打开和关闭仪器。【各部分仪器的连接方法】将各部分仪器安装摆放好后，根据实验仪上的标识使用配套的连接线将各部分仪器装置连接起来。其连接方法为：用适当的连接线将测试仪的“压力信号输入”、“T，／T，输入”和“转速/转角信号输入”三个接口与热机底座上对应的三个接口连接起来；用一根Q9线将主机测试仪的压力信号和双踪示波器的Y通道连接，再用另一根Q9线将主机测试仪的体积信号和双踪示波器的X通道连接：（智能型热机测试仪）用1394线将主机测试仪的通信接口和热机通信器相连，再用USB线和计算机USB接口连接：热机测试仪配有计算机软件，将热机与计算机相连，可在计算机上显示压力与体积的实时波形，显示P-V图，并显示温度，转速，P-V图面积等参数（微机型热机测试仪）。用两芯的连接线将主机测试仪后面板上的“转速限制接口”和电加热器电源后面板上的“转速限制接口”连接起来；用鱼叉线将电加热器电源的输出接线柱和电加热器的“输入电压接线柱”连接起来，黑色线对黑色接线柱，黄色线对红色接线柱，而在电加热器上的两个接线柱不需要区分颜色，可以任意连接。【实验内容及步骤】一、测量数值，验证卡诺循环定理1、打开各部分设备的电源，将加热器电源先置于“1”档，此时电源显示24伏：2、观察测试仪的面板△T值达到90到100左右，用手顺时针拨动飞轮，结合图1仔细观察热机循环过程中工作活塞与位移活塞的运动情况，切实理解空气热机的工作原理。3、根据测试仪面板上的标识和仪器介绍中的说明，将各部分仪器连接起来，开始实验。取下力矩计，将加热电压加到第11档（36伏左右）。等待约610分钟，加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，热机即可运转（若运转不起来，可看看热机测试仪显示的温度，冷热端温度差在100度以上时易于起动）。4、减小加热电压至第1档（24伏左右），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（或计算机）上读取温度和转速，从双踪示波器显示的P-V图估算（或计算机上读取）P-V图面积，记入表1中5、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。6、以△T/Ti为横坐标，nA/△T为纵坐标，在坐标纸上作nA/△T与△T/T:的关系图，验证卡诺定理。表1测量不同冷热端温度时的热功转换值加热电压VA（P-V图面热机转速n热端温度TI温度差△T△T/ TInA/△T积)

第 6 页 11－T1 / T2 输入口（五芯）：用六芯连接线和热机相应的接口相连，输入 T1 / T2 温度信号； 12－转速/转角信号输入口（五芯）：用五芯连接线和热机相应的接口相连，输入转速/转角信号； ②．测试仪后面板简介（见图 6） 13－转速限制接口：加热源为电加热器时使用的限制热机最高转速的接口；当热机转速超过 15 n/s（会伴随发出间断蜂鸣声）后，热机测试仪会自动将电加热器电源输出断开，停止加热； 14－电源输入插座：输入 AC220V 电源，配 1.25A 保险丝； 15－电源开关：打开和关闭仪器。【各部分仪器的连接方法】将各部分仪器安装摆放好后，根据实验仪上的标识使用配套的连接线将各部分仪器装置连接起来。其连接方法为：用适当的连接线将测试仪的“压力信号输入”、“T1 / T2 输入”和“转速/转角信号输入”三个接口与热机底座上对应的三个接口连接起来；用一根 Q9 线将主机测试仪的压力信号和双踪示波器的 Y 通道连接，再用另一根 Q9 线将主机测试仪的体积信号和双踪示波器的 X 通道连接；（智能型热机测试仪）用 1394 线将主机测试仪的通信接口和热机通信器相连，再用 USB 线和计算机 USB 接口连接；热机测试仪配有计算机软件，将热机与计算机相连，可在计算机上显示压力与体积的实时波形，显示 P-V 图，并显示温度，转速，P-V 图面积等参数（微机型热机测试仪）。用两芯的连接线将主机测试仪后面板上的“转速限制接口”和电加热器电源后面板上的“转速限制接口” 连接起来；用鱼叉线将电加热器电源的输出接线柱和电加热器的“输入电压接线柱”连接起来，黑色线对黑色接线柱，黄色线对红色接线柱，而在电加热器上的两个接线柱不需要区分颜色，可以任意连接。【实验内容及步骤】一、测量数值，验证卡诺循环定理 1、打开各部分设备的电源，将加热器电源先置于“1”档，此时电源显示 24 伏； 2、观察测试仪的面板 ΔT 值达到 90 到 100 左右，用手顺时针拨动飞轮，结合图 1 仔细观察热机循环过程中工作活塞与位移活塞的运动情况，切实理解空气热机的工作原理。 3、根据测试仪面板上的标识和仪器介绍中的说明，将各部分仪器连接起来，开始实验。取下力矩计，将加热电压加到第 11 档（36 伏左右）。等待约 6～10 分钟，加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，热机即可运转（若运转不起来，可看看热机测试仪显示的温度，冷热端温度差在 100 度以上时易于起动）。 4、减小加热电压至第 1 档（24 伏左右），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（或计算机）上读取温度和转速，从双踪示波器显示的 P-V 图估算（或计算机上读取）P-V 图面积，记入表 1 中。 5、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。 6、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。表 1 测量不同冷热端温度时的热功转换值加热电压 V 热端温度 T1 温度差 ΔT ΔT/ T1 A（P-V 图面积）热机转速 n nA/ΔT

第7页11二、（选做）测量热机输出功率随负载及转速的变化关系1、在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转，然后将力矩计装在飞轮轴上，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，读取并纪录各项参数于表2中。2、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。3、以n为横坐标，P。为纵坐标，在坐标纸上作P。与n的关系图，表示同一输入功率下，输出偶合不同时输出功率或效率随偶合的变化关系。表2测量热机输出功率随负载及转速的变化关系输入功率P=VI=热端温度T输出力矩M热机转速n输出功率输出效率温度差△TP。=2元nM=P/P表1，表2中的热端温度T、温差△T、转速n、加热电压V、加热电流I、输出力矩M可以直接从仪器上读出来，P-V图面积A可以根据示波器上的图形估算得到，也可以从计算机软件直接读出（仅适用于微机型热机测试仪），其单位为焦耳：其他的数值可以根据前面的读数计算得到。示波器P-V图面积的估算方法如下。根据仪器介绍和说明，用Q9线将仪器上的示波器输出信号和双踪示波器的X、Y通道相连。将X通道的调幅旋钮旋到“0.1V”档，将Y通道的调幅旋钮旋到“0.2V”档，然后将两个通道都打到交流档示波器观测的热机实验P-V曲线图位，并在“X-Y”档观测P-V图，再调节左右和上下移动旋钮，可1.6以观测到比较理想的P-V图。再1.4根据示波器上的刻度，在坐标纸1.2上描绘出P-V图，如图7所示。以图中椭圆所围部分每个小格E1.0为单位，采用割补法、近似法（如道0.8近似三角形、近似梯形、近似平通PI0.6行四边形等）等方法估算出每小格的面积，再将所有小格的面积0.4加起来，得到P-V图的近似面积，0.2单位为“V?”。根据容积V，压强P与输出电压的关系，可以换00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0算为焦耳。X通道（V）容积（X通道）：图7示波器观测的热机实验P-V曲线1V=1.333x10~m压力（Y通道）：1V=2.164×10*Pa则：1V2=0.288J

第 7 页二、（选做）测量热机输出功率随负载及转速的变化关系 1、在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转，然后将力矩计装在飞轮轴上，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，读取并纪录各项参数于表 2 中。 2、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。 3、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，输出偶合不同时输出功率或效率随偶合的变化关系。表 2 测量热机输出功率随负载及转速的变化关系输入功率 Pi=VI= 热端温度 T1 温度差 ΔT 输出力矩 M 热机转速 n 输出功率 Po=2πnM 输出效率 ηo/i=Po/Pi 表 1，表 2 中的热端温度 T1、温差 ΔT、转速 n、加热电压 V、加热电流 I、输出力矩 M 可以直接从仪器上读出来，P-V 图面积 A 可以根据示波器上的图形估算得到，也可以从计算机软件直接读出（仅适用于微机型热机测试仪），其单位为焦耳；其他的数值可以根据前面的读数计算得到。示波器 P-V 图面积的估算方法如下。根据仪器介绍和说明，用 Q9 线将仪器上的示波器输出信号和双踪示波器的 X、Y 通道相连。将 X 通道的调幅旋钮旋到“0.1V”档，将 Y 通道的调幅旋钮旋到“0.2V”档，然后将两个通道都打到交流档位，并在“X-Y”档观测 P-V 图，再调节左右和上下移动旋钮，可以观测到比较理想的 P-V 图。再根据示波器上的刻度，在坐标纸上描绘出 P-V 图，如图 7 所示。以图中椭圆所围部分每个小格为单位，采用割补法、近似法（如近似三角形、近似梯形、近似平行四边形等）等方法估算出每小格的面积，再将所有小格的面积加起来，得到P-V图的近似面积，单位为“ 2 V ”。根据容积 V，压强 P 与输出电压的关系，可以换算为焦耳。容积（ X 通道）： 5 3 1V 1.333 10 m − =  压力（Y 通道）： V Pa 4 1 = 2.16410 则： 1V 0.288J 2 = 图 7 示波器观测的热机实验 P-V 曲线图