篇一：空氣熱機實驗論文報告
摘要：熱機是將熱能轉換為機械能的裝置，空氣熱機結構簡單、便於操作。空氣熱機實驗通過對空氣熱機探測儀、計算機等操作來理解空氣熱機原理及循環過程。通過電加熱器改變熱端温度測量熱功轉換值，作出nA/ΔT與ΔT/ T1的關係圖，驗證卡諾定理。逐步改變力矩大小來改變熱機輸出功率及轉速，計算、比較熱機實際轉化效率。試驗表明:在一定誤差範圍內,隨熱端温度升高nA/ΔT與ΔT/ T1的關係呈現性變化，驗證卡諾定理。熱端温度一定時輸出功率隨負載增大而變大，轉速而減小。
關鍵詞：卡諾定理;空氣熱機;卡諾循環
熱機是將熱能轉換為機械能的機器。歷史上對熱機循環過程及熱機效率的研究為熱力學第二定律的確立起了奠基性的作用。斯特林1816年發明的空氣熱機，以空氣作為工作介質，是最古老的熱機之一。雖然現在已發展了內燃機，燃氣輪機等新型熱機，但空氣熱機結構簡單，便於幫助理解熱機原理與卡諾循環等熱力學知識。 空氣熱機的結構如圖一所示，熱機主機主要有高温區、低温區、工作活塞和位移活塞、氣缸、飛輪、連桿，熱源等組成。
由電熱方式加熱位移活塞，其作用是在循環過程中使氣體在高温區與低温區間不斷交換，氣體可通過位移活塞與位移氣缸間的間隙流動，提高高温與低温間的温度差可以提高熱機效率。位移活塞與工作活塞通過連桿與飛輪連接，他們的運動是不同步的，其中一個處於極值時，速度最小，另一個活塞速度最大。
圖一 空氣熱機工作原理示意圖
當工作活塞向下移時，位移活塞迅速左移，使汽缸內氣體向高温區流動，如圖1 a所示；進入高温區的氣體温度升高，使汽缸內壓強增大並推動工作活塞向上運動，如圖1 b 所示，在此過程中熱能轉換為飛輪轉動的機械能；工作活塞向頂端移動時，位移活塞迅速右移，使位移汽缸內氣體向低温區流動，如圖1 c所示；進入低温區的氣體温度降低，使汽缸內壓強減小，同時工作活塞在飛輪慣性力的作用下向下運動，完成循環，如圖1 d 所示。在一次循環過程中氣體對外所作淨功等於P-V圖所圍的面積。
根據卡諾對熱機效率的研究而得出的卡諾定理，對於可逆循環的理想熱機，熱功轉換效率為：
A/Q1Q1Q2/Q1(T1T2)/T1T/T1
式中A為每一個循環中熱機做的功，Q1為熱機每一循環從熱源吸收的熱量，Q2為熱機每一個循環向冷源放出的熱量，T1為熱源的絕對温度，T2為冷源的絕對温度。
由於熱量損失，實際的熱機都不可能是理想熱機，循環過程也不是可逆的，所以熱機轉化效率：
T/T1，只要使循環過程接近可逆循環，就是儘量提高冷源與熱源的温度差。
熱機循環過程從熱源吸收的熱量正比於nA/T，n為熱機轉速，所以：正比於nA/T。測量不同熱
端温度時的nA/T，觀察與T/T1的關係，可驗證卡諾定理。同一功率下，調節力矩計與轉軸的摩擦改變熱機實際輸出功率P0，計算出不同負載大小時的熱機效率。同時轉速n也會改變，觀察P0n
關係圖，表示同一輸出功率下，輸出耦合不同時輸出功率隨耦合的關係。
一、 實驗儀器與方法：
電熱ZKY-RJ型空氣熱機實驗儀如圖二示
圖二 電加熱型熱機實驗裝置圖
飛輪下部裝有雙電門，上面的一個用於定位工作活塞的最低位置，下面一個用於測量飛輪轉動角度。氣缸的體積隨工作活塞的位移而改變，活塞的位移改變通過飛輪測得，在飛輪邊緣均勻排列45個擋片，由光電門信號確定飛輪位置，進而計算氣缸體積。壓力傳感器與工作汽缸底相通，測量汽缸的壓力得到體積變化。底座的三個插座分別與實驗測試儀相連，在儀器顯示窗口顯示熱機轉速、高低温區的温度、P-V圖。加熱器輸出電壓24V-36V可調，可根據實驗的實際需要調節加熱電壓。
力矩計懸掛在飛輪軸上，調節螺釘可調節力矩計與轉軸之間的摩擦力，由力矩計可讀出摩擦力矩M，可得出熱機輸出功率P2nM，即單位時間內的角位移與力矩的乘積。
二、 試驗內容、步驟:
第一部分:測量不同熱端温度的熱功轉換值，驗證卡諾定理。
連接測試儀面板和電腦的，各儀器之間的端口，開始試驗。將加熱電壓加之最大檔（11檔），等待6~10分鐘（大約在温差在100K以上），加熱電阻絲已發紅後，用手順時針撥動飛輪，熱機即可運轉。減小加熱電壓至第一檔，打開電腦輔助軟件，觀察壓力和容積信號，並把P-V圖調節到最適合觀察的位置。等待大約10
分鐘，温度和轉速平衡後，記錄加熱電壓，讀取温度和轉速，記於表一中。逐步加大加熱功率，重複上
述測量過程4次以上，在表一中記錄數據。以ΔT/ T為縱座標，在座標紙上作nA/ΔT與ΔT/ T1的關係圖，驗證卡諾定理。
第二部分：測量不同輸出功率下，轉速和實際效率的變化。
在最大加熱功率下，觸動飛輪停止轉動，在飛輪上裝上力矩計，撥動飛輪，讓熱機繼續運動。調節力矩計的摩擦力（不要停機），待輸出力矩、轉速、温度穩定後，在表二中讀取記錄各項參數。保持輸出功率不變，逐步增大輸出力矩，重複以上實驗步驟5次以上。以n為橫座標，P0為縱座標，作出n與P0的關係圖。表示同一輸出功率下，輸出耦合不同時輸出功率或效率隨耦合的變化關係。
三、 實驗結果：
表一 測量不同冷熱端温度時的熱功率轉換值
表二 測量熱機輸出功率、效率隨負載及轉速的變化關係
圖一 電腦觀察到的熱機實驗P_V實驗圖圖二 電腦觀測到的容積和壓力變化曲線
四、 分析與結論：
由表格數據可作圖結果分析，在外加負載不變的情況下，隨着熱功率增大，nA/ΔT與ΔT/ T1基本具有線性關係，驗證了卡諾定理。在同一加熱功率下，隨摩擦力矩加大，轉速降低，熱端温度升高，温度差加大，輸出效率加大。對於輸出力矩繼續加大時，輸出功率如何變化，是繼續變大還是轉折本實驗未能涉及，也是實驗要改進的地方。
五、 參考文獻:
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