ZKY-RJ空气热机实验仪[ 2015-01-16 ].PDF

ZKY-RJ 空气热机实验仪 ( 电加热综合型) 实验指导及操作说明书 成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司 地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院 邮编：610041 电话：（028 传真：（028 网址；WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKY@ZKY.Cn 2013-06-08 空气热机实验仪（电加热综合型）实验指导及操作说明书 第1页 空气热机实验说明书 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 ．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（或双踪示波器） 【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/QRR RR = （QRR RR -QRR RR ）/QRR RR = （TRR RR -TR R RR ）/TRR RR = Δ T/ TRR 1 1 2 1 1 2 1 1 式中A为每一循环中热机做的功，QRR RR 为热机每一循环从热源吸收的热量，QRR RR 为热机每一循环向 1 2 冷源放出的热量，TRR RR 为热源的绝对温度，TRR RR 为冷源的绝对温度。 1 2 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