空气热机实验1143092146 付美梅(轻纺与食品学院轻化工程）摘要：本实验利用空气热机测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理；后又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。

最后，由此实验得到的一些创新想法。

关键词：空气热机；卡诺定理；热机效率；余热再用；火法冶金；鼓风；转鼓；风扇热机[2]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。

其结构简单，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。

卡诺定理[3]是卡诺1824年提出来的，其表述如下：（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关,与可逆循环的种类也无关。

（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。

1 实验原理[1]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。

空气在高温区和低温区间不断交换，使汽缸内压强不断变化，从而推动位移活塞和工作活塞的循环移动。

图1 空气热机工作原理（1）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而实际热机：η ≦ΔT/ T1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。

而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，即可验证卡诺定理。

（2）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。

2 实验装置及实验方法本实验中使用的设备和装置有：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）。

实验方法如下：（1）测量不同冷热端温度时的热功转换值：正确连接仪器，将力矩计尽可能的调松，打开电源，将加热电压加到第11档。

等待加热电阻丝发红，当ΔT接近100K时，顺时针拨动飞轮令热机运转。

减小加热电压至第1档，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，并从热机测试仪上读取温度和转速，从双踪示波器显示的P-V图估算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/ T1为横坐标，nA/ΔT为纵坐标，在坐标纸上作nA/ΔT与ΔT/ T1的关系图，验证卡诺定理。

（2）测量热机输出功率随负载及转速的变化关系：在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转。

然后将力矩计调紧，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，读取并记录各项参数于表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，将数据记入表2。

以n 为横坐标，Po 为纵坐标，在坐标纸上作Po 与n 的关系图，表示同一输入功率下，输出力矩不同时输出功率或效率随负载及转速的变化关系。

3 结果和讨论（1）测量不同冷热端温度时的热功转换值（表1），作nA/ΔT 与ΔT/ T 1的关系图（图2），验证卡诺定理。

表1加热电压V 热端温度T 1温度差ΔT ΔT/ T 1 A （P-V 图面积） 热机转速n nA/ΔT 23.9 424.5 118.0 0.2780 4.0×0.02 7.85.288×10-3 25.7 444.4 132.0 0.2970 4.0×0.02 9.8 5.939×10-3 27.7 461.6 143.4 0.3106 4.2×0.02 12.16.502×10-3 28.7 477.7 158.2 0.3312 4.4×0.02 13.2 7.343×10-3 29.7489.8168.50.34404.5×0.0214.47.691×10-3（2）测量热机输出功率随负载及转速的变化关系（表2），作图分析（图3）。

表2输入功率P i =VI=29.7V×4.20A =125W 热端温度T 1 温度差ΔT 输出力矩M 热机转速n 输出功率 P o =2πnM 输出效率 ηo/i =P o /P i 500.8 177.5 5.0×10-3 10.40.327 0.26% 504.4 182.3 7.5×10-3 7.7 0.363 0.29% 513.2 191.9 10.0×10-3 5.8 0.364 0.29% 518.3 199.7 12.5×10-3 4.3 0.338 0.27% 524.4208.015.0×10-33.20.302 0.24%5.0005.4005.8006.2006.6007.0007.4007.8000.20000.25000.30000.35000.4000△T/T 1nA/△T×10-30.2800.2900.3000.3100.3200.3300.3400.3500.3600.3700.3800.3900.4002.0 3.0 4.0 5.0 6.07.08.09.010.011.0nP 0图2 图34 结论（1）当热机负载保持不变时，随着热功率的增加，热端温度和温度差逐渐增高，热机转速逐渐增大，nA/ΔT 与ΔT/ T1基本呈线性关系，即验证了卡诺定理。

（2）当热机带负载时，在热功率保持不变的情况下，随着摩擦力矩的逐渐增大（即热机向负载输出的功率逐渐增大），热机转速逐渐减小，热端温度和温度差逐渐增高，热机实际输出功率的大小首先随负载的加大而增大，之后曲线出现一个拐点，即最佳配点，当过了那点之后，热机实际输出功率的大小呈减小的趋势。

5 实验后的想法起初，空气热机被人类发明时，便广泛用于运输工具。

现在，空气热机的用途已愈来愈广泛。

经过本实验，我产生了一下几方面的思考：（1）将热机引用于冶金中，尤其是火法冶金。

在选修课《材料的结构组织与性能》中，老师有讲到关于冶金的问题。

在做本实验的时候，我突然将高温热源与火法冶金联系到了一起，然后经过上网[5]查了一些浅表的资料之后，发现鼓风炉是最可以让空气热机施行的设备之一。

话说火法冶金，当然存在现成的高低温热源，我认为我们可以利用火炉里的高温余热作为高温热源，外界室温作为低温热源，构建一个空气热机带动鼓风炉的运作。

这样，即可以有效的利用了能量，又可以节约一些成本了。

（2）将热机引用于转鼓中。

因为我是皮革系的学生，我们本业就是制革，所以很快地就将实验联想到本专业来。

但是由于现在的我还是个新生，未能有机会去真正的皮革厂实习，所以我对那些制革的仪器设备并不了解。

经过参考我们的课本《轻化工程导论》[4]，其中，在我们的制革工程中，准备工段和整饰工段都常用的转鼓与本实验中的飞轮联系接近，故我想，定可以将空气热机往我们制革方面应用。

（3）将热机引用于日常生活中。

夏天到了，学校电风扇的大量使用，让我联想到了本实验中的飞轮。

一般情况下，夏天的课堂里，灯与风扇均处于运作状态。

长时间开启灯，会产生大量的热，虽然这份热量很小，但是我们可以经过适当地“加工”，使那些废热集中，并由此研做一个节能的空气热机。

此外，在电脑、电视等需要散热的器件中也是可以发展节能热机好去处，空气热机能使我们的生活更加节能。

当然，在真正实行设计的时候，切记不能忘了非理想热机中的那个最佳配点。

根据对最佳配点的精确测量与计算设计，将会节约到更多的能量，使效益增大。

空气热机可以施行在很多很多的地方，尽管现在的热机还未达到较高的效率。

但我相信，在我们不久的将来，空气热机一定会得到更好的改进，空气热机将会运用到更多的领域，并将帮助我们人类节约更多的能源！参考文献：[1] 成都世纪中科仪器有限公司．空气热机实验说明书［K］．[2] 王植恒，何原，朱俊等．大学物理实验［M］．北京：高等教育出版社，2008.12[3] 王磊，陈刚，聂娅．大学物理学<下册>［M］．北京：高等教育出版社，2009.12[4] 石碧，王双飞，郑庆康，肖作兵主编．轻化工程导论［M］．北京：化学工业出版社，2010.7[5] 互联网查询The Air Heat Engine Experiment1143092146 FuMeimei（College of Light Industry and Textile and Food Engineering , Light Chemical Engineering）ABSTRACT Get the measurement of the temperature of the hot and cold different thermal power conversion value by the air engine to verify the Carnot’s theorem. Then, measure the heat engine output power load and the change of rotating speed with the relationship and calculate the actual efficiency of the engine. Finally, I get some innovative ideas from itKEYWORDS air heat engine; Carnot’s theorem; efficiency of heat engine; waste heat to use; pyrometallurgy; blast; drum; air fan。