空气热机实验报告
【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 【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/Q=(Q-Q)/Q=(T-T)/T = ΔT/ T 1 1211211
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为热机每一12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。 12
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/ T 1
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Q正比于ΔT/n，n为热机转速，η正比于nA/ΔT。n，1
A，T及ΔT均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/ΔT，观察它与ΔT/ T的关系，可验11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。
【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(或双踪示波器 【实验内容及步骤】
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。
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)。
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。
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。
以ΔT/ T为横坐标，nA/ΔT为纵坐标，在坐标纸上作nA/ΔT与ΔT/ T的关系图，验11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A(P-V图面热机转速n 温度差ΔT ΔT/ T nA/ΔT 1 T 积) 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。
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。 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，oo
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= i 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ΔT 1 P=2πnM η=P/P oo/ioi
表1，表2中的热端温度T、温差ΔT、转速n、加热电压V、加热电流I、输出力矩M1
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
2积，单位为“”。根据容积V，图7 示波器观测的热机实验P-V曲线V 图 压强P与输出电压的关系，可以换算为焦耳。 ,53容积(X通道): 1V,1.333，10m 4压力(Y通道): 1V,2.164，10Pa
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