实验报告
物理系 08级 姓名：XXX 学号：198200XXXXXXXX 实验题目：空气热机
一、实验原理
热机是将热能转换为机械能的机器，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，是很好的实验教学仪器。

1．热机发电原理
空气热机的结构及工作原理可用图1说明。

热机主机由汽缸、高温区、低温区、工作活塞、位移活
塞、飞轮、连杆等部分组成。

汽缸的上部有螺旋状的加
热电阻，构成高温区，汽缸下部
为水冷的低温区。

汽缸下面的活
塞是工作活塞，它使汽缸内气体
封闭，并在气体的推动下对外做功。

工作活塞上面是位移活
塞，它是半封闭活塞，气体可
通过其中间圆柱内充塞的细
铜丝流动，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，并在通过铜丝
时预冷（热）。

工作活塞与位移活塞通
过连杆与飞轮连接，相位相差
90度，当某一活塞处于位置极
值时，它本身的位置变化率最
小，而另一个活塞的位置变化
率最大。

在作热机工作时，位
移活塞超前工作活塞90度。

当工作活塞处于最顶端时，位移活塞迅速下移，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下运动，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
塞在最底端时，位移活塞迅速
上移，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
图 3 空气热机实验装置 空气热机 位移传感器 变
压器
图 1 热机结构及原理图 图2 作为热泵和制冷机操作热空气发动机的操作原理： 上图为热泵、下图为冷泵
内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向上运动，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，热机效率：
η 1-T2/T1
式中T
2为冷源的绝对温度，T
1
为热源的绝对温度，热机冷热源的温
度比值越小，热机效率越高。

本装置冷源为循环水，温度基本恒定，而热源温度随加热功率的提高而升高，故输入功率越大，热机效率应越高。

2．热机作为热泵或冷泵
通过外力驱动飞轮，空气热机可以作为热泵或制冷机工作，在空气热机有两个活塞通过活塞杆连接到曲柄上，位移活塞与工作活塞有位相差90o,如果飞轮逆时针旋转，当工作活塞位于最顶端中心位移活塞向上运动，并将空气转移到被水冷却的汽缸低端（图2上）。

空气随后在低端的通过工作活塞下移而膨胀并从“冷却水”中吸收热量。

当工作活塞位于最低端中心，位移活塞向下运动并转移空气到汽缸的上端部分，此时空气被工作活塞压缩并放出热量给汽缸的顶部，这样空气热机就作为热泵工作。

如果飞轮顺时针旋转，当工作活塞处于最上端中央时，位移活塞将空气转移到上端（图2下），因此在后续工作活塞下移而导致空气的膨胀过程中将汽缸的顶部取出热量。

此时空气被位移活塞向下转移，在汽缸的低端被工作活塞压缩而给出热量给冷却水。

这就是空气热机作为制冷机工作的原理。

与图1是一样的，热机循环一周所消耗的能量等于制冷机循环一周从热端取出的热量。

在本实验中，空气热机作为热泵或制冷机工作是定性研究，机械能的供给和热能的关系的描述是通过电动马达的速度变化和汽缸顶部温度计的温度变化来进行的。

二、仪器介绍：空气热机及附件
实验装置如图3所示。

作定性实验时，只用热机及
变压器即可。

变压器为热机的加热电阻提供能量，其输出端有6
个插孔，选用不同的组合可使输出电压在2~20伏之间
变化。

压力传感器探测工作过程中汽缸内外的压强差。

位移传感器实际是1个多圈电位器，通过细线、转
向滑轮、张紧弹簧，将工作活塞与电位器的调节轮连接，
工作活塞的运动带动调节轮转动，电位器电阻的变化即
对应汽缸内气体的体积变化。

转速测量仪：采用光学法测转速。

经由来自仪器的红外线光束，再被对象上的反射贴反射到仪器，旋转信号被发送到测量仪器。

仪器如右图所示。

三、实验步骤：
1．定性观测
用手拨动飞轮（如图3所示为逆时针拨动，面向飞轮时顺时针拨动），结合图1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。

将热机的进出水管接通冷却水。

将热机加热丝导线接在变压器12伏输出端，打开变压器开关，立即用手拨动飞轮（注意拨动方向），热机即可运转。

在飞轮未另加负载时，热机输出的功率克服活塞运动及飞轮转动的摩擦力做功，因此输入功率越大，热机转速越高。

输入电压低于8伏时，热机不能正常转动，输入电压过高，仪器容易损坏，实验中允许电压值为10，12，14，16伏。

2．定量测量
转速测量仪：采用光学法测转速。

经由来自仪器的红外线光束，再被对象上的反射贴反射到仪器，旋转信号被发送到测量仪器。

分别使电压值从10，12，14，16V 逐渐增加，电压设置好后，打开开关，立即手动拨动飞轮，约过半分钟后看飞轮能否自行转动，若是不可以的话应立即关掉开关，更换更高的电压值，如此至飞轮自行转动。

然后用转速测量仪测量飞轮的转速。

重复以上操作，测量不同电压下的转速。

3.定性观察热机作为热泵或冷泵工作（图6）
a)作为热泵操作热机
（1）打开冷却水，检查水流，直到水回流出来。

（2）设置旋转开关a 到中间位置（静止），设置速度控制器b 到中间位置，打开速度控制器开关。

（3）启动热机并使热机向左旋转（逆时针旋转）。

（4）测量汽缸顶部水的温度变化。

b)作为制冷机操作热机
（1）注意冷却水是否正常。

图6空气热机作为热泵或制冷机工作的实验装置
（冷却水通过水容器底部的水泵供给）
（2）设置旋转开关a到中间位置（静止），设置速度控制器b到中间位置，打开控制器开关。

（3）启动热机并使热机向右旋转（顺时针旋转）
（4）测量汽缸顶部的温度并观察温度的下降。

四、实验结果：
1．10V时，热机的转动经过约一分钟无法自行转动。

电压12V、16V时
顺时针转动飞轮，试管里的水温逐渐减低，实验时温度降至20℃，即冷泵效果。

逆时针转动飞轮，试管里的水温逐渐升高，实验时温度升至34℃，即热泵结果。

注意事项：
1．热机为贵重进口实验仪器，汽缸等部位为玻璃制造，容易损坏，请谨慎操作
2．热机必须在通冷却水的情况下才能通电加热，连通电源前务必检查冷却水循环是否正常，工作过程中必须经常检查冷却水流动情
况。

不能允许循环冷却水的温度超过30o C。

3．热机在静止状态下严禁长时间加热，若热机运转过程中因意外原因出现停止转动，必须立即关闭电源，并用手拨动飞轮使汽缸内
气体在冷热区交换，帮助高温区冷却
4．热机工作过程中实验人员严禁离开，否则若冷却水断流或热机停转，都将使高温区温度过高而使汽缸炸裂或变形。