精品文档热机循环实验报告推荐word版 12页.docx

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热机循环实验报告

篇一：

热机实验报告

热机实验

热机实验是研究热机和热泵的效率，这是一个最近几年刚开发出来的较新颖的热学实验，对有关热学知识的掌握和理解，直接影响到本实验的成败。

最好具有热力学三个定律、卡诺循环等知识准备。

预备知识

1、热力学三定律。

2、卡诺循环和卡诺热机。

3、半导体制冷方面的知识。

实验目的

1、了解半导体热电效应原理和应用，测量热泵的实际效率和卡诺效率。

2、在热机模式下确定帕尔帖器件的实际效率，计算帕尔帖的内电阻和热机效率。

3、测量热泵的性能系数。

4、通过测量和计算，比较负载和内阻，选定最佳效率下的最佳负载。

实验原理

热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。

热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。

热力学第二定律

1、开尔文表述：

不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其它变化。

2、克劳修斯表述：

不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。

或者：

①热不可能自发地、不付代价地从低温传到高温。

（不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的）

②不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响

热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是等温可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是等温可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。

在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。

卡诺循环（CarnotCycle）包括两个等温过程和两个绝热过程，理想气体体系在经历这四个过程后回到原点。

在循环过程中每一步都是可逆的。

1、热机原理（卡诺正循环

）

2、热泵原理（卡诺逆循环）

1、热传导

2、热机模式下最佳负载的选择

实验内容与数据

1、测量热机效率

实际效率?

?

T?

TCPw

，卡诺效率?

?

HPHTH

卡诺效率和热效率数据处理表（R?

2?

）

2、对热机效率测量值进行修正

在有负载和无负载下对应参数

内阻为

r?

Vs?

Vw1.491?

0.588R?

?

2?

3.07?

Vw0.588

调整效率为

2

?

PWPW?

Iwr0.5882/2?

（0.588/2）2?

3.04

?

调整＝?

?

?

6.4%

?

PH?

P

H开路PH9.74?

3.01?

8.42?

2.66

调整效率和卡诺效率之间的百分误差：

?

?

max?

?

调整10?

6.4

偏差＝?

100%?

?

100%?

36%

?

max10

实际效率?

?

Pw

PH

Vw2

PH?

VH?

IH式中Pw?

R

最大效率：

即卡诺效率

调整效率：

除去损失的能量，使得调整后的实际效率接近卡诺效率。

3、测量热泵性能系数和最大性能系数

实际性能系数、最大性能系数、调整性能系数和性能系数偏差（TH=60.0℃,R=2Ω）

效率计算

（1）实际性能系数：

K实际＝

PCPH开路－PR8.42?

2.66?

8.27

?

?

?

1.7PRPR8.27

（2）最大性能系数：

K最大＝

TC

TH?

TC

2

（3）调整性能系数：

部分功率是用在帕尔帖器件内阻上，因此，需调整，Ir必须从输入帕尔帖器件的功率中扣除。

K调整＝

PH开路－PRPR?

Ir2r

?

22.37?

8.27

?

9.102

8.27?

1.48?

3.07

计算调整性能系数与最大性能系数的百分误差：

相对误差?

K最大－Ｋ调整

Ｋ最大

?

100%?

9.41?

9.10

?

100%?

3.2%

9.41

4、在开路模式下计算帕尔贴器件的热传导率（实验条件：

TH=60.0℃,R=2Ω

）开路模式下帕尔帖器件的热传导率为

PH开路（）8.42?

2.66?

0.00524

?

K?

?

0.0035?

T60.0?

26.5

5、选择最佳负载电阻（4号仪器，201X、9、19）

热机数据和测量结果

由以上数据可见，当负载电阻等于帕尔贴器件的内阻时，热机的效率最高或输出功率最大。

篇二：

热机试验

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，曾为热力学第二定律奠基了基础。

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。

【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【实验原理】

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：

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。

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；

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

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；

11－T1/T2输入口（五芯）：

用六芯连接线和热机相应的接口相连，输入T1/T2温度信号；

12－转速/转角信号输入口（五芯）：

用五芯连接线和热机相应的接口相连，输入转速/转角信号；

②．测试仪后面板简介（见图6）

13－转速限制接口：

加热源为电加热器时使用的限制热机最高转速的接口；当热

机转速超过15n/s（会伴随发出间断蜂鸣声）后，热机测试仪会自动将电加热器电源输出断开，停止加热；

14－电源输入插座：

输入AC220V电源，配1.25A保险丝；15－电源开关：

打开和关闭仪器。

篇三：

热机循环

热机循环

目的：

研究热机（theheatengine）的性质，以及其将热转换为功的过程和原理。

原理：

热机为一连续操作之系统，利用热力系统（气体系统）的循环，将吸收的热转换成功的一种机械装置，其理论基础为：

（一）理想气体方程式：

PV=nRT，将热力系统视为理想气体，再经热力过程变化时，将满足理想气体方程式。

（二）热力学第一定律：

热力过程的变化，由能量守恒的推导，可得：

dU=dQ-dW。

dU为系统内能变化，dQ为加入系统的热能，dW为系统对外界所做的功。

1.内能函数U为状态函数，故热力系统经一循环过程，末状态等于初状态，其内能相同，故dU=0。

2.dQ为热力过程加入系统的热能，其值和变化的过程有关：

绝热过程：

dQ=0。

等压过程：

dQ=nCpdT。

定容过程：

dQ=nCvdT。

其中Cp、Cv分别为气体的定压比热及定容比热。

若系统吸热，dQ为正值；若排热，dQ为负值。

3.dW为热力系统在热力过程中对外界所做的功，其形式为：

dW=PdV，dW为微量变化的功，故一完整过程的功为

W?

?

dW?

?

PdV，亦热力系统P-V图曲线下面积。

故：

等压过程：

W=P?

V=P（V2?

V1）。

V2

等温过程：

W?

?

PdV?

V2nRTdV?

nRTln。

?

VV1V1

若系统膨胀，W为正值；若系统压缩，W为负值。

（三）热力学第二定律：

热机在一热力循环过程中，要将全部转换成功，W这是不可能的，讨论其能量转换的比例，定义热机的效率?

?

total，Qin

故热机的效率无法达到100%。

本实验利用两个等压过程，两个等温过程构成一个循环（如图一）。

图一

其热机循环的过程：

A→B：

等温压缩，在固定温度下（室温TL），使压力由PL?

PH。

此等温过V程，W1?

?

nRTLlnA。

VB

B→C：

等压膨胀，在固定压力（PH）下，温度由TL?

TH，此过程对外作功

为W2?

PH（VC?

VB），所加热为Q1?

nCP（TH?

TL）。

C→D：

等温膨胀，在固定温度（TH）下，压力由PH降为PL，此过程作功为

VW31?

nRHTlnDVC

D→A：

等压压缩，在固定压力（PL）下，温度由TH?

TL，构成一循环过程，

其作功为W4?

PL（VA?

VD）。

其所作总功W?

W1?

W2?

W3?

W4

?

?

nRTLlnVAV?

PH（VC?

VB）?

nRTHlnD?

PL（VD?

VA）VBVC

PH（VC?

VB）R加入热量Qin?

Q1?

nCP（TH?

TL）?

CP

?

CPPH（VC?

VB）PH（VC?

VB）PH（VC?

VB）?

?

?

1CP?

CV?

?

11?

?

其中?

?

CP，空气（双原子气体）之?

?

1.40CV

WQin

?

nRTLln

?

VAV?

PH（VC?

VB）?

nRTHlnD?

PL（VD?

VA）VBVCPH（VC?

VB）?

?

?

1故热机效率?

?

仪器：

热机∕气体仪器组、温度感应器、压力感应器（绝对）、滑轮转动感应器、SW750界面匣、砝码。

实验方法：

（一）计算机的安置

1.将SW750接口匣电源打开，再开计

算机主机。

2.将温度、压力及滑轮转动感应器如图

二所示，分别插入SW750界面匣。

3.启动DataStudio

Activity

（

二）仪器的安装

1.各准备大致约25℃及100℃的热水，约至烧杯的四分之三。

2.活塞仪左边的插孔接上铝制空气室，并将其放入25℃的水中，此时温图二安装方式

度感应器也一并放在水中。

3.将活塞调至刻度50ml左右，再将右边的插孔接上压力

感应器。

4.在滑轮转动感应器的大转盘上跨接一个约250g的砝

码，如图三所示，将砝码放置在活塞仪上之际，同时按下键。

5.等到活塞不再移动后，迅速将铝制空气室及温度感应

器移至100℃的热水中。

6.待活塞停止上升后，移走其上所有的砝码。

7.再次等待活塞停止上升，再迅速将铝制空气室及温度感

应器移至25℃的冷水中。

8.直到活塞不再下降，按下

所得的数据注1。

9.将所得数据绘出P-V图，显示出整个循环过程。

计算循环路径所包围的面积（即热机循环对外所作的功），并和理论值比较。

10.计算出本热机的效率，并与理想热机效率?

?

1?

注1：

Display窗口如图四所示，各代表之意义如下：

Graph1：

压力对时间关系图。

Graph2：

体积对时间关系图。

Graph3：

温度对时间关系图。

Table1：

压力对时间表格。

Table2

：

体积对时间表格。

Table3：

温度对时间表格。

注2：

本实验所得之体积数据为整个系统的体积，即活塞仪、铝制空气室与橡胶管图三，实验结束，至

TL比较。

TH

的体积总合。

铝制空气室+橡胶管的体积已经体贴地为同学内建，若同学们不相信本组的计算，可自行应用波以耳定律验证。

问题：

1.经过热机做功A→B→C→D→A循环后，理论上会回到A点，但实验

的结果并没有没有回到A点，试着讨论其原因并提出改善的方法。

2.测量P、V、T之值，由理想气体方程式决定系统内气体的莫耳数n。

3.请计算本实验中每个阶段的作功量，并试着算出整个循环所做的总功

及其循环效率。

4.若B→C的循环步骤温度差异愈大，将对整个实验有何影响？

试着讨

论之。