空气热机原理实验

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 在已经发展了内燃机、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。

一、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、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。

二、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，以及汽缸、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，由热力学第二定律可以证明，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。

本实验中，A、T1及ΔT均可测量，A与η成正比，测量不同冷热端温度 时的A，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。

三、实验仪器

本实验所用仪器为空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器和电 源，以及双踪示波器。

1、空气热机实验仪

空气热机为电加热型，其结构图见图2。热机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，下边的一个用以测量飞轮转动 角度。热机以光电门信号为采样触发信号。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，由于飞轮的位置与工作活塞的位移有对应 关系，而汽缸的体积随工作活塞的位移而变化，因而可计算出汽缸体积。

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，供连接双踪示波器显示P-V图。所有信号均可 经仪器前面板上的串行接口连接到计算机。加热器电源为加热电阻提供能 量，输出电压从24 V～36 V连续可调，可以根据实际需要调节加热电压。

图2 电加热型热机实验装置图

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=2πnM，式中n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。

2、加热器电源

电加热器给热机加热，采用热电阻加热方式，最高加热温度可达150 °C，其面板（见图3）上各按钮、开关、接口定义如下：

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－电压调节旋钮：根据加热需要调节电源的输出电压，调节范围为“24 V～36 V”；

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。

9－电源输入插座：输入AC 220 V 电源，配3.15 A保险丝；

10－转速限制接口：当热机转速超过15 n/s后，主机会输出信号将电 加热器电源输出电压断开，停止加热。

图3 加热器电源面板示意图

3、空气热机测试仪

空气热机测试仪分为微机型和智能型两种型号。微机型测试仪可以通 过串口和计算机通讯，并配有热机软件，可以通过该软件在计算机上显示 并读取P-V图面积等参数和观测热机波形；智能型测试仪不能和计算机通 讯，只能用示波器观测热机波形。智能型空气热机测试仪面板（见图4） 上各按钮、开关、接口定义如下：

图4 空气热机测试仪面板示意图

1－T1指示灯：该灯亮表示当前的显示数值为热源端绝对温度；

2－ΔT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；

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