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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。
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