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 2 页 热机每一循环从热源吸收的热量 Q1 正比于 ΔT/n，n 为热机转速，η 正比于 nA/ΔT。n，A，T1 及 ΔT 均可测量，测量不同冷热端温度时的 nA/ΔT，观察它与 ΔT/ T1 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 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 图 2 电加热型热机实验装置图
第3页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=2元nM，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.电加热器电源①.加热器电源前面板简介（见图3）ZIY-B.DYZue空气热机电加热器电源电压输出24V-36V65A。482V。3910211电源电流指示一开直关置电压指示输出成都世纪中科仪器有限公司7568图3加热器电源前面板示意图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：
第 3 页 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 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 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．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； 1 2 3 4 5 6 7 8 图 3 加热器电源前面板示意图
第4页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“+”接线柱：加热器的加热电压的正端AC220V3.15A接口；转速限制接口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；8一电源开关按键：打开和关闭仪器。②.加热器电源后面板简910介（见图4）图4加热器后面板示意9一电源输入插座：输入AC220V电源，配3.15A保险丝；10一转速限制接口：当热机转速超过15n/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。II．空气热机测试仪
第 4 页 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。 ②．加热器电源后面板简 介（见图 4） 9－电源输入插座：输入 AC220V 电源，配 3.15A 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。 Ⅱ. 空气热机测试仪 9 10 图 4 加热器后面板示意 图
第5页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。①：测试仪前面板简介（见图5）ZCyaet成都世纪中科仪器有限公司n/s转速3T10KATO2KT25T&量示切境nd空气热机测试仪LAT通情接口转速/转角信号TVTIRAA789101112图5主机前面板示意图1一T.指示灯：该灯亮表示当前的显示数值为热源端绝对温度；2一△T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；3一转速显示：显示热机的实时转速，单位为“转/每秒（n/s）”；4一T/△T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（K）”5一T2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：7一通信接口：使用1394线热机通信器相连，再用USB线将通信器和计算机USB接口相连。如此可以通过热机软件观测热机运转参数和热机波形（仅适用于微机型）：8一示波器压力接口：通过Q9线和示波器Y通道连接，可以观测压力信号波形9一示波器体积接口：通过Q9线和示波器X通道连接，可以观测体积信号波形10一压力信号输入口（四芯）：用四芯连接线和热机相应的接口相连，输入压力信号：
第 5 页 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。 ①．测试仪前面板简介（见图 5） 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； 3－转速显示：显示热机的实时转速，单位为“转/每秒（n/s）”； 4－T1 /ΔT 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（K）”； 5－T2 显示：显示冷源端的绝对温度值，单位“开尔文（K）”； 6－T1 /ΔT 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 T1，同时 T1指示 灯亮。当按键按下后显示为冷热端绝对温度差 ΔT，同时 ΔT 指示灯亮； 7－通信接口：使用 1394 线热机通信器相连，再用 USB 线将通信器和计算机 USB 接口相连。如此可以通过 热机软件观测热机运转参数和热机波形（仅适用于微机型）； 8－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； 9－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； 10－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； 图 5 主机前面板示意图 7 8 9 10 11 12 3 1 2 4 5 6