《大学物理实验》课程教学资源（教案）空气热机

大学物理实验教案空气热机实验题目实验性质教师代青等实验学时4近代与综合性实验(1)理解空气热机原理及热循环过程；教学目的（2）测量不同输入功率下热功转换效率，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1.空气热机热循环过程的理解重点2.验证卡诺定律1.示波器的调节难点2.计算机数据处理课前的准备：1.仪器设备的检查，注意要校准码。时间的掌握：留由5分钟机动的时间。2.实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。3.作出数据表格设计的参考。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。(10分钟）二、讲解的设计(20分钟）1、引言热机是将热能转换为机械能的机器空气热机是1816年英国物理学家罗伯特斯特林（Robert教Stirling）发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirlingengine）学过2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计程原则的设实验原理计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

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 空气热机 实验性质 近代与综合性实验 实验学时 4 教师 代青等 教学目的 （1） 理解空气热机原理及热循环过程； （2） 测量不同输入功率下热功转换效率，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。 重 点 1.空气热机热循环过程的理解 2.验证卡诺定律 难 点 1.示波器的调节 2.计算机数据处理 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查，注意要校准砝码。 2.实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。 3.作出数据表格设计的参考。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (10 分钟) 二、讲解的设计 (20 分钟) 1、引言 热机是将热能转换为机械能的机器 空气热机是 1816 年英国物理学家罗伯特 斯特林(Robert Stirling)发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine） 2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计 原则 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， 时间的掌握：留由 5 分 钟机动的时间

它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。D国a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：n =A/Q=（Qi-Q2）/Q=（T,-T2)/T, =△T/ Tr式中A为每一循环中热机做的功，Q为热机每一循环从热源吸收的热量，Q为热机每一循环向冷源放出的热量，T为热源的绝对温度，T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：n≤AT/T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Q正比于△T/n，n为热机转速n正比于nA/△T。n，A，T及△T均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/△T，观察它与△T/T.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。3.数据的测量与处理要求用计算机处理数据，讲解积分公式和计算机处理数据方法。讲作图法4.原理演示及实验与设备讲解5.强调实验中要注意的问题（1）加热端在工作时温度很高，而且在停止加热后1小时内仍然会有很高温度，请小心操作，不要触摸，否则会被烫伤。（2）热机在没有运转状态下，严禁长时间大功率加热，若热机运转过程中因各种原因停止转动，必须用手拨动飞轮帮助其重新运转或立即关闭电源，否则会损坏仪器：（3）记录测量数据前须保证已基本达到热平衡，避免出现较大误差

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/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。 3.数据的测量与处理 要求用计算机处理数据，讲解积分公式和计算机处理数据方法。 4．原理演示及实验与设备讲解 5．强调实验中要注意的问题 （1）加热端在工作时温度很高，而且在停止加热后 1 小时内仍然会 有很高温度，请小心操作，不要触摸，否则会被烫伤。 （2）热机在没有运转状态下，严禁长时间大功率加热，若热机运转 过程中因各种原因停止转动，必须用手拨动飞轮帮助其重新运转或立 即关闭电源，否则会损坏仪器； （3）记录测量数据前须保证已基本达到热平衡，避免出现较大误差。 讲作图法

等待热机稳定读数的时间一般在10分钟左右：（4）在读力矩的时候，力矩计可能会摇摆。这时可以用手轻托力矩计底部，缓慢放手后可以稳定力矩计。如还有轻微摇摆，读取中间值：（5）飞轮在运转时，应谨慎操作，避免被飞轮边沿割伤。三、学生的实验开始(130分钟）四、指导实验实验前30分钟不解答问题，给学生自已理解消化的时间，30分钟后边指导边提出一些问题启发学生解答，重点辅导。五、检查实验的结果，签字六、课后（实验结束前的20分钟）1、现象及问题2、结果分析及思考题3、小结、建议、体会课（1）通过本实验，试分析如何提高空气热机输出效率？后思考题1.《大学物理实验》，赵黎、王丰等编，复旦大学出版社，出版时间2014年7月参考2.《大学物理学》，汪晓元、廖红、赵黎、刘想宁等编，武汉理工大学出版社，出版时间2008文年8月献

等待热机稳定读数的时间一般在 10 分钟左右； （4）在读力矩的时候，力矩计可能会摇摆。这时可以用手轻托力矩 计底部，缓慢放手后可以稳定力矩计。如还有轻微摇摆，读取中间值； （5）飞轮在运转时，应谨慎操作，避免被飞轮边沿割伤。 三、学生的实验开始 (130 分钟) 四、指导实验 实验前 30 分钟不解答问题,给学生自己理解消化的时间,30 分钟 后边指导边提出一些问题启发学生解答，重点辅导。 五、检查实验的结果,签字 六、课后 （实验结束前的 20 分钟） 1、现象及问题 2、结果分析及思考题 3、小结、建议、体会 课 后 思 考 题 (1) 通过本实验，试分析如何提高空气热机输出效率？ 参 考 文 献 1.《大学物理实验》，赵黎、王丰等编，复旦大学出版社，出版时间 2014 年 7 月 2.《大学物理学》，汪晓元、 廖红、赵黎、刘想宁等编，武汉理工大学出版社，出版时间 2008 年 8 月