热机实验报告.docx
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热机实验报告
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)
3
299.25
322.95
7.11
2.20
15.6
0.403
0.0812
0.52%
7.0%
4
299.55
333.15
8.72
2.69
23.5
0.588
0.1728
0.74%
10%
5
299.55
342.65
11.50
3.59
41.3
0.720
0.2592
0.63%
12%
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
低温端
TC(℃)
高温端
有负载
Vw(V)
无负载
Vs(V)
TH(℃)
VH(V)
IH(A)
有负载
26.5
60.0
9.74
3.01
0.588
无负载
26.5
60.0
8.42
2.66
1.491
内阻为
调整效率为
调整效率和卡诺效率之间的百分误差:
偏差=
实际效率
式中
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)
TH(℃)
TC(℃)
负载两端
K实际
K最大
K调正
偏差
VR(V)
IR(A)
PR(W)
60.0
28.0
5.59
1.48
8.27
1.7
9.41
9.1
3.2
效率计算
(1)实际性能系数:
(2)最大性能系数:
(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,
必须从输入帕尔帖器件的功率中扣除。
计算调整性能系数与最大性能系数的百分误差:
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
5、选择最佳负载电阻(4号仪器,2007、9、19)
热机数据和测量结果
R(Ω)
TC/℃
TH/℃
VH
IH
VW
PH
PW
0.5
28.0
50.0
8.21
2.51
0.158
20.61
0.0499
0.24%
1.0
28.0
50.0
8.26
2.52
0.276
20.81
0.0762
0.36%
1.5
28.0
50.0
7.90
2.47
0.358
19.52
0.0850
0.43%
2.0
28.0
50.0
8.16
2.54
0.425
20.71
0.0903
0.43%
2.5
28.0
50.0
8.17
2.53
0.484
20.71
0.0780
0.37%
3.0
28.0
50.0
8.15
2.52
0.542
20.53
0.0979
0.47%
3.5
28.0
50.0
8.15
2.52
0.573
20.53
0.0938
0.45%
4.0
28.0
50.0
7.99
2.45
0.484
19.57
0.0585
0.30%
4.5
28.0
50.0
8.00
2.46
0.626
19.68
0.0871
0.42%
5.0
28.0
50.0
8.15
2.51
0.648
20.52
0.0839
0.41%
5.5
28.0
50.0
8.12
2.47
0.668
20.06
0.0811
0.40%
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。