天津理工大学：《大学物理实验》课程教学资源（讲义）空气热机.pdf_大学文库

空气热机课时：3学时教材：见补充讲义简介：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。实验重点：1、作图法处理数据；2、P-V图的计算。难点：1、卡诺循环原理；2、热机循环过程；3、热机构造。教学目的：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、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。教学方法：以演示、讲述为主，采用提问式、启发式教学，结合巡回辅导。实验要求：1.课前预习，完成预习报告；2.课堂独立完成实验内容，记录并处理数据；3.课后根据数据完成实验报告，并提出改进建议。实验仪器：空气热机实验仪、空气热机测试仪、电加热器电源、双踪示波器。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。ionH山图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

空气热机课时：3学时教材：见补充讲义简介：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。实验重点：1、作图法处理数据；2、P-V图的计算。难点：1、卡诺循环原理；2、热机循环过程；3、热机构造。教学目的： 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、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。教学方法：以演示、讲述为主，采用提问式、启发式教学，结合巡回辅导。实验要求：1. 课前预习，完成预习报告； 2. 课堂独立完成实验内容，记录并处理数据； 3. 课后根据数据完成实验报告，并提出改进建议。实验仪器：空气热机实验仪、空气热机测试仪、电加热器电源、双踪示波器。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：n=A/Q=(O-O)/=(T-T)/T=ATT式中A为每一循环中热机做的功，≤为热机每一循环从热源吸收的热量，,为热机每一循环向冷源放出的热量，写为热源的绝对温度，了为冷源的绝对温度。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。热机每一循环从热源吸收的热量正比于ATn，为热机转速，n正比于A/T。、A、T及AT均可测量，测量不同冷热端温度时的㎡A/AT，观察它与AT/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、电加热器电源和空气热机测试仪三部分。I.电加热型热机实验仪低温端温度高温端温度力矩计空气热机实验仪如图2传感器传盛器输入电压R接线柱所示，飞轮下部装有双光测转速标记电门，上边的一个用以定位工作活塞的最低位置，一测角度标记I下边一个用以测量飞轮转动角度。热机测试仪以光飞轮一电门信号为采样触发信双光电门、号。压力传感汽缸的体积随工作活器接口塞的位移而变化，而工作???电加热器活塞的位移与飞轮的位置T17T2有对应关系，在飞轮边缘转速/转角压力信号均匀排列45个挡光片，采图2电加热型热机实验装置图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

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：式中为每一循环中热机做的功，为热机每一循环从热源吸收的热量，为热机每一循环向冷源放出的热量，为热源的绝对温度，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：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。热机每一循环从热源吸收的热量正比于，为热机转速，正比于。、、及均可测量，测量不同冷热端温度时的，观察它与的关系，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、电加热器电源和空气热机测试仪三部分。 Ⅰ.电加热型热机实验仪空气热机实验仪如图2 所示，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，供连接示波器显示图

加热器电源为加热电阻提供能量，输出电压从Z0-BJ0Y空气热机电加热器电源Cra24V~36V连续可调，可以根据实验的实际需要调节电压出24V-36#6#Ab加热电压。vo力矩计悬挂在飞轮轴上，调节螺钉可调节力矩计与轮轴之间的摩擦力，由力矩计可读出摩擦力矩M，并进而算出摩擦力和热机克服摩擦力所做的功。经简单推导可得热机输出功率P=2mM，式中为热机每秒的转速，即输出功率为单位时间内的角位移与力矩的乘积。成者比忆中理器限公IⅡ：电加热器电源图3加热器电源前面板示意图①.加热器电源前面板简介（见图3）1一电流输出指示灯：当显示表显示电流输出时，该指示灯亮；2一电压输出指示灯：当显示表显示电压输出时，该指示灯亮；3一电流电压输出显示表：可以按切换方式显示加热器的电流或电压：4一电压输出旋钮：可以根据加热需要调节电源的输出电压，调节范围为“24V~36V”，共分做11档：5一电压输出“一”接线柱：加热器的加热电压的负端接口；6一电压输出“十”接线柱：加热器的加热电压的正端接口；7一电流电压切换按键：按下显示表显示电流，弹出显示表显示电压：8一电源开关按键：打开和关闭仪器II.空气热机测试仪.测试仪前面板简介（见图4）n/s1一T指示灯：该灯亮表示当前的显示数值为热源K端绝对温度；2一4T指示灯：该灯亮表示当前显示数值为热源端和冷源端绝对温度差：K3一转速显示：显示热机的实时转速，单位为“转/AGR童美热机调试仪每秒（n/s）”；4一T/AT显示：可以根据需要显示热源端绝对温8o0a度或冷热两端绝对温度差，单位“开尔文（)”;空气热机测试仪前面板示意图5一T,显示：显示冷源端的绝对温度值，单位“开尔文（K）”；6一T/△T显示切换按键：按键通常为弹出状态，表示4中显示的数值为热源端绝对温度T，同时T指示灯亮。当按键按下后显示为冷热端绝对温度差△T，同时△T指示灯亮；7一示波器压力接口：通过Q9线和示波器Y通道连接，可以观测压力信号波形：8一示波器体积接口：通过Q9线和示波器X通道连接，可以观测体积信号波形；9一压力信号输入口（四芯）：用四芯连接线和热机相应的接口相连，输入压力信号：10一T/T输入口（五芯）：用五芯连接线和热机相应的接口相连，输入T/T温度信号；11一转速/转角信号输入口（六芯）：用六芯连接线和热机相应的接口相连，输入转速/转角信号：IV各部分仪器的连接方法

加热器电源为加热电阻提供能量，输出电压从 24V~36V连续可调，可以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轮轴之间的摩擦力，由力矩计可读出摩擦力矩，并进而算出摩擦力和热机克服摩擦力所做的功。经简单推导可得热机输出功率，式中为热机每秒的转速，即输出功率为单位时间内的角位移与力矩的乘积。 Ⅱ．电加热器电源 ①．加热器电源前面板简介（见图3） 1－电流输出指示灯：当显示表显示电流输出时，该指示灯亮； 2－电压输出指示灯：当显示表显示电压输出时，该指示灯亮； 3－电流电压输出显示表：可以按切换方式显示加热器的电流或电压； 4－电压输出旋钮：可以根据加热需要调节电源的输出电压，调节范围为“24V~36V”，共分做11 档； 5－电压输出“－”接线柱：加热器的加热电压的负端接口； 6－电压输出“＋”接线柱：加热器的加热电压的正端接口； 7－电流电压切换按键：按下显示表显示电流，弹出显示表显示电压； 8－电源开关按键：打开和关闭仪器。 Ⅲ. 空气热机测试仪 ①．测试仪前面板简介（见图4） 1－指示灯：该灯亮表示当前的显示数值为热源端绝对温度； 2－指示灯：该灯亮表示当前显示数值为热源端和冷源端绝对温度差； 3－转速显示：显示热机的实时转速，单位为“转/ 每秒（）”； 4－显示：可以根据需要显示热源端绝对温度或冷热两端绝对温度差，单位“开尔文（）”； 5－显示：显示冷源端的绝对温度值，单位“开尔文（）”； 6－显示切换按键：按键通常为弹出状态，表示4中显示的数值为热源端绝对温度，同时指示灯亮。当按键按下后显示为冷热端绝对温度差，同时指示灯亮； 7－示波器压力接口：通过Q9线和示波器通道连接，可以观测压力信号波形； 8－示波器体积接口：通过Q9线和示波器通道连接，可以观测体积信号波形； 9－压力信号输入口（四芯）：用四芯连接线和热机相应的接口相连，输入压力信号； 10－输入口（五芯）：用五芯连接线和热机相应的接口相连，输入温度信号； 11－转速/转角信号输入口（六芯）：用六芯连接线和热机相应的接口相连，输入转速/转角信号； Ⅳ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；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。实验步骤：一、观察热机循环过程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。二、验证卡诺定理1．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）。2.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，并从热机测试仪上读取温度和转速，从双踪示波器显示的P-V图估算P-V图面积，记入表1中。3．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。4.以ATT为横坐标，M/AT为纵坐标，在坐标纸上作M/AT与ATT的关系图，验证卡诺定理。三、计算热机实际效率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。2.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。3.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。4．以为横坐标，P为纵坐标，在坐标纸上作P与的关系图，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。注意：示波器P-V图面积的估算方法如下。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-√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“v2”。根据容积V，压强P与输出电压的关系，可以换算为焦耳

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”、“ 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通道连接；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。实验步骤：一、观察热机循环过程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。二、验证卡诺定理 1. 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）。 2. 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，并从热机测试仪上读取温度和转速，从双踪示波器显示的图估算图面积，记入表1中。 3. 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。 4. 以为横坐标，为纵坐标，在坐标纸上作与的关系图，验证卡诺定理。三、计算热机实际效率 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。 2. 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。 3. 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。 4. 以为横坐标，为纵坐标，在坐标纸上作与的关系图，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。注意：示波器图面积的估算方法如下。将通道的调幅旋钮旋到“0.1V”档，将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“ ”档观测图，再调节左右和上下移动旋钮，可以观测到比较理想的图。再根据示波器上的刻度，在坐标纸上描绘出图，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，得到图的近似面积，单位为“ ”。根据容积，压强与输出电压的关系，可以换算为焦耳