摘要：热机是将热能转换为机械能的装置，空气热机结构简单、便于操作。空气热机实验通过对空气热机探测仪、计算机等操作来理解空气热机原理及循环过程。通过电加热器改变热端温度测量热功转换值，作出nA/ΔT与ΔT/ T1的关系图，验证卡诺定理。逐步改变力矩大小来改变热机输出功率及转速，计算、比较热机实际转化效率。试验表明:在一定误差范围内,随热端温度升高nA/ΔT与ΔT/ T1的关系呈现性变化，验证卡诺定理。热端温度一定时输出功率随负载增大而变大，转速而减小。
关键词：卡诺定理;空气热机;卡诺循环
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为热力学第二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知识。 空气热机的结构如图一所示，热机主机主要有高温区、低温区、工作活塞和位移活塞、气缸、飞轮、连杆，热源等组成。
由电热方式加热位移活塞，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气缸间的间隙流动，提高高温与低温间的温度差可以提高热机效率。位移活塞与工作活塞通过连杆与飞轮连接，他们的运动是不同步的，其中一个处于极值时，速度最小，另一个活塞速度最大。
图一 空气热机工作原理示意图
当工作活塞向下移时，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；工作活塞向顶端移动时，位移活塞迅速右移，使位移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，对于可逆循环的理想热机，热功转换效率为：
A/Q1Q1Q2/Q1(T1T2)/T1T/T1
式中A为每一个循环中热机做的功，Q1为热机每一循环从热源吸收的热量，Q2为热机每一个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。
由于热量损失，实际的热机都不可能是理想热机，循环过程也不是可逆的，所以热机转化效率：
T/T1，只要使循环过程接近可逆循环，就是尽量提高冷源与热源的温度差。
热机循环过程从热源吸收的热量正比于nA/T，n为热机转速，所以：正比于nA/T。测量不同热
端温度时的nA/T，观察与T/T1的关系，可验证卡诺定理。同一功率下，调节力矩计与转轴的摩擦改变热机实际输出功率P0，计算出不同负载大小时的热机效率。同时转速n也会改变，观察P0n
关系图，表示同一输出功率下，输出耦合不同时输出功率随耦合的关系。
一、 实验仪器与方法：
电热ZKY-RJ型空气热机实验仪如图二示
图二 电加热型热机实验装置图
飞轮下部装有双电门，上面的一个用于定位工作活塞的最低位置，下面一个用于测量飞轮转动角度。气缸的体积随工作活塞的位移而改变，活塞的位移改变通过飞轮测得，在飞轮边缘均匀排列45个挡片，由光电门信号确定飞轮位置，进而计算气缸体积。压力传感器与工作汽缸底相通，测量汽缸的压力得到体积变化。底座的三个插座分别与实验测试仪相连，在仪器显示窗口显示热机转速、高低温区的温度、P-V图。加热器输出电压24V-36V可调，可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转轴之间的摩擦力，由力矩计可读出摩擦力矩M，可得出热机输出功率P2nM，即单位时间内的角位移与力矩的乘积。
二、 试验内容、步骤:
第一部分:测量不同热端温度的热功转换值，验证卡诺定理。
连接测试仪面板和电脑的，各仪器之间的`端口，开始试验。将加热电压加之最大档（11档），等待6~10分钟（大约在温差在100K以上），加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，热机即可运转。减小加热电压至第一档，打开电脑辅助软件，观察压力和容积信号，并把P-V图调节到最适合观察的位置。等待大约10
分钟，温度和转速平衡后，记录加热电压，读取温度和转速，记于表一中。逐步加大加热功率，重复上
述测量过程4次以上，在表一中记录数据。以ΔT/ T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。
第二部分：测量不同输出功率下，转速和实际效率的变化。
在最大加热功率下，触动飞轮停止转动，在飞轮上装上力矩计，拨动飞轮，让热机继续运动。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，在表二中读取记录各项参数。保持输出功率不变，逐步增大输出力矩，重复以上实验步骤5次以上。以n为横坐标，P0为纵坐标，作出n与P0的关系图。表示同一输出功率下，输出耦合不同时输出功率或效率随耦合的变化关系。
三、 实验结果：
表一 测量不同冷热端温度时的热功率转换值
表二 测量热机输出功率、效率随负载及转速的变化关系
图一 电脑观察到的热机实验P_V实验图图二 电脑观测到的容积和压力变化曲线
四、 分析与结论：
由表格数据可作图结果分析，在外加负载不变的情况下，随着热功率增大，nA/ΔT与ΔT/ T1基本具有线性关系，验证了卡诺定理。在同一加热功率下，随摩擦力矩加大，转速降低，热端温度升高，温度差加大，输出效率加大。对于输出力矩继续加大时，输出功率如何变化，是继续变大还是转折本实验未能涉及，也是实验要改进的地方。
五、 参考文献:
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《大学物理综合设计实验》，中国海洋大学物理实验教学中心，20xx.1; 张玉民，热学，中国科学技术出版社，20xx. 5； 常树仁，热学，南开大学出版社，20xx.7;
包科达，热物理学基础，高等教育出版社，20xx.12;
闫全英、刘迎云，热质交换原理与设备，机械工业出版社，20xx.6 黄晓圣、王剑，关于卡诺定理证明的教学探讨，大学物理，20xx.21
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