热机循环-讲稿

热机循环

热力发动机（热机）是指各种利用内能做功的机械，其原理是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。热机通常以气体作为工质（传递能量的媒介物质叫工质），利用气体受热膨胀对外做功。自热机出现以来，人们一直从实验和理论上研究其效率问题。大量研究工作一方面为提高热机效率指明了的方向，另一方面推动了热学理论的发展。

【实验目的】

（1）研究热机将热转换为功的过程和原理 （2）学会计算热机循环的效率 （3）探索提高热机循环效率的方法

【实验原理】

热机是依靠从热源吸收热量，向低温热源释放热量来工作一种的装置。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 = nC p dT 。 定容过程：dQ = nC v dT 。

其中C p 、C v 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，在这一完整过程种做功为⎰⎰==PdV

dW W ，

即热力系统P-V 图曲线下面积。故： 等压过程：W = P∆V = P(12

V V -)。

等温过程：1

2ln 2

1

V V nRT dV V nRT

PdV W

V V ==

=⎰⎰。

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，要将能量全部转换为功，这是不可能的，讨论其能量转换的比例，定义热机的效率in

total Q W =

ε

，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

其热机循环的过程为：

A →

B ：等温压缩，在固定温度下(室温T L )，使压力由H L

P P →。此等温过

程，B

A

L V V nRT W ln

1-=。

B →

C ：等压膨胀，在固定压力(P H )下，温度由H L

T T →，此过程对外作功

为)(2

B C H V V P W -=，所加热为)(1L H P T T nC Q -=。

C →

D ：等温膨胀，在固定温度(T H )下，压力由H P 降为L P ，此过程作功为

D →A ：等压压缩，在固定压力(P L )下，温度由L H

T T →，构成一循环过程，

其作功为)(4D A L V V P W -=。

其所作总功4321W W W W W

+++=

)(ln )(ln

A D L C

D H B C H B A L V V P V V

nRT V V P V V nRT --+-+-=

加入热量R

V V P C T T nC Q Q B C H P

L H P in )

()(1-=-==

1)(11)()(--=

-

-=--=

γγ

γ

B C H B C H V P B C H P V V P V V P C C V V P C

其中V

P

C C =

γ，空气(双原子气体)之40.1=γ

故热机效率in

Q W =

ε

1

)()(ln )(ln ----+-+-=

γγ

B C H A D L C

D H B C H B A L V V P V V P V V

nRT V V P V V nRT 。

【实验仪器】

热机TD-8572、大支架ME-8735、200g 奥豪斯开槽配重砝码SE-8726、钻孔配重（10g 和20g ）648-06508、塑料容器740-183、拉线699-011、旋转运动传感器CI-6538、温度传感器CI-6505B 、压力传感器CI-6534A 。

【实验内容及步骤】

在本实验中，热机由一种中空的圆筒构成。当铝制空罐子侵入热水时，罐子中的空气开始膨胀，膨胀的空气推动活塞，活塞向上举起重物以此做功。当然，热机循环实验也可以将罐子侵入冷水中，以此来实现气压和圆筒中空气的体积回到实验开始的状态。 (一)计算机的安装

1. 将ScienceWorkshop750接口匣电源打开，再开计算机主机。

2. 将温度、压强及滑轮转动感应器接到正确的插口，如图二所示。

3. 启动计算机桌面上DataStudio 软件，在弹出的对话框中选择第二个选项进入“实验设置”页

面，点击SW 图标，分别对孔1、2、A 、B 和C 在选项框中选择正确的输入，具体按照图二接口的标注。

图二 Science Workshop750接口闸和窗口接口模拟图