常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类
常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类
英文名称；Air Independent Plant for Conventional Submarine(AIP)
技术类别：船用特种动力;动力推进;
苍龙级潜艇使用了瑞典考库姆的斯特林热气机技术
[定义]
不依赖空气的动力装置是指潜艇在水下不需要外界空气而依靠艇内所带的能量物质提供推进的动力装置，简称AIP系统。现在核潜艇的动力装置虽然是真正的不依赖空气的推进装置，但不在目前所称的常规潜艇不依赖空气动力装置的讨论范围之列。目前出现的各种常规潜艇AIP系统不是作为主推进的动力使用，而是在常规潜艇保留原有的柴油机电力推进系统的前提下，加装一套新型的AIP系统，
作为其水下低速航行的动力，以达到增加常规潜艇低速潜航的能力、减少暴露率的目的。
常规潜艇AIP系统主要由液氧等能量储存供给系统，能量转换装置、废气物排放处理系统、辅助系统、隔振装置和控制系统等组成。
目前研制的AIP系统依能量转换装置的不同有多种形式，主要有斯特林发动机、闭循环柴油机、闭循环汽轮机、燃料电池和小型核动力装置。
[相关技术]
液氧贮存技术；燃料处理技术；降噪技术；材料技术；密封技术
[技术难点]
不依赖空气的动力装置能否在潜艇上使用主要取决于潜艇要求的技术性能。因此，其技术难点也表现在满足潜艇的这些技术要求上。这些技术要求主要是尺寸重量、对潜艇尺度的影响、振动、噪音、红外等特性信号、下潜深度，以及对潜艇性能的影响等。除此之外，所有不依赖空气的动力装置，除小型核动力装置外，在艇上使用时都需要解决液氧在艇上储存的安全问题，对燃料电池还需解决好氢气产生和安全问题。目前所有上述不依赖空气的动力装置，其单机功率均较小，只能满足水下低速航行的需要。提高单机功率，在比较经济的条件下解决好潜艇的潜航是AIP系统今后要解决的重要课题。
[国外概况]
不依赖空气的动力装置（AIP）一般有热机类和电化学系统类多种类型。但当前研究得最多、且最容易在常规潜艇上使用的大概只有5种，即：
（1）、斯特林发动机；
（2）、闭循环柴油机（又称再循环柴油机）；
（3）、闭循环汽轮机；
（4）、燃料电池；
（5）、小型核动力装置。
斯特林发动机又称热气机，它的基本特点是由外部供热并进行再生循环。它是一种利用气体在内部回路中进行高温膨胀和低温压缩的差异来取得有效功的活塞式发动机。斯特林发动机的原型诞生于1845年，但其后由于内燃机的迅速发展，以及斯特林发动机自身效率过低等原因，因此，长期未能得到发展。直到本世纪六、七十年代，世界上一些国家（美国、瑞典、联邦德国和日本）才开始逐渐
恢复其研制。
斯特林热气机原理图斯特林热气机工作图
德国MTU公司曾经完成了用于潜艇的斯特林发动机的设计，功率210千瓦，以六氟化硫（SF6）作氧化剂，以金属锂作燃料。
通用汽车公司以此为基础制造出一台用于潜艇的外形尺寸为6×2.5×3.0米的斯特林发动机样机，进行了长达100小时的运行试验。传动机构为菱形结构，功率75千瓦，工作气体（氮或氩）的
压力为11兆帕，转速1500转/分。
英国也进行了斯特林发动机的研制，制定了对其部分零件进行试验的研制计划。
瑞典考库姆公司1968年从荷兰菲利普公司取得了研制斯特林发动机的许可证，开始了斯特林发动机的研制，并取得了重大进展，先后研制出可用于潜艇和水下实验装置的多种型号的斯特林发
动机，即：
（1）、功率为65-100千瓦的、用于潜艇的4-275型斯特林发动机；
（2）、功率为25千瓦的、用于水下实验装置的4-95型斯特林发动机；
（3）、功率为4-7千瓦的、用于水下实验装置和潜水作业的V-160型斯特林发动
机；
（4）带有燃料罐和氧化剂罐用于水下设施和水下实验装置、功率为200千瓦的模块化斯特林发动机。
1983年，考库姆公司成功地研制出功率为75千瓦的潜艇用斯特林发动机，并在实验室内进行了运行试验。1985年以后，又相继研制成功几种型号的潜艇用斯特林发动机并在浮动试验平台上进行了运行试验和性能鉴定。1987年，考库姆公司为法国"萨加"号商用潜艇制造了V4-275-1型斯特林发动机，并装于该艇使用。1988年，又将两台V4-275R型斯特林发动机装在瑞典海军排水量为1000吨的"水怪"号潜艇上，并进行了海上试验。试验持续了近一年，使用斯特林发动机航行共约5000小时。其后瑞典海军决定将斯特林发动机装在新造的3艘"哥得兰"级潜艇上。
目前，3艘装备斯特林发动机的"哥得兰"级潜艇均已入役。"哥得兰"级潜艇是世界上第一级在最初设计时就装备斯特林发动机的潜艇。
目前，在实用的斯特林发动机主要有两型，两者均为考库姆公司研制：
(1)、V4-275R型斯特林发动机。此机有4个气缸，V型布置，有环状蓄热器和冷却器。每个气缸工作容积275 立方厘米。工作气体为氢或氦。当使用氢作工质时，持续功率85千瓦，转速2000转/分，氧耗量820 克/千瓦小时；当使用氦作工质时，持续功率65千瓦，转速2000转/分，氧耗量950克/千瓦小时。V4-275R型斯特林发动机重75公斤，外形尺寸为0.8×0.8×1.4米，主要用于1000-2500
吨的潜艇。
(2)、4-95S型斯特林发动机。此机有4个气缸，每缸工作容积95立方厘米，两根曲轴。工作气体为氢和氦。当以氢为工质时，持续功率10-25千瓦，转速1800转/分，耗氧量900克/千瓦小时；
当以氦为工质时，持续功率10-20千瓦，转速1800 转/分，耗氧量1050 克/千瓦小时。4-95S型斯特林发动机重350 公斤，外形尺寸为0.9×0.7×0.7米。主要用于水下实验装置。
瑞典装备与哥特兰级的V4-275R MKII式热气机
最新的V4-275R MKIII型热气机
使用斯特林发动机的下一级潜艇可能是瑞典海军的2000型潜艇。此级潜艇的排水量与"哥得兰"级相当，其中一种采用斯特林发动机的方案是全部采用斯特林发动机推进，艇上不再装备柴油机和蓄
电池，即不再采用"哥得兰"级潜艇的混合推进方式。
装备在哥特兰级上的斯特林热气机AIP模块
日本防卫厅技术研究本部也积极开展潜艇用斯特林发动机的研制工作。1991年，日本采购了考库姆公司的V4-275R-Ⅱ型斯特林发动机，其后川崎重工又与考库姆公司合作完成了斯特林发动机的试验。日本对潜艇用斯特林发动机的要求是1997年达到装艇实用，并届时将其装入新型的2700吨潜艇。新型2700吨潜艇如装4台斯特林发动机，则可获得300千瓦的推进功率，将比目前在役的"春潮"级潜
艇的水下活动时间增加5-7倍。
闭循环柴油机用于潜艇的想法早在50多年前就已出现。1940年，德国的斯图加特大学在实验室中先后研制出一台53HP和一台1400HP的闭循环柴油机。战争阻止了装艇计划的实施。
第二次世界大战后，苏联、英、美取得了德国研制潜艇用闭循环柴油机的资料，先后投入很大力量建造闭循环柴油机的潜艇，后来都由于核动力潜艇的研制成功而中断。
至80年代，人们逐渐认识到常规潜艇与核动力潜艇相比，具有小而灵活、造价便宜等优点，因而一些国家仍然重视常规潜艇的研制和建造。潜艇用闭循环柴油机的研究因此又重新热了起来。
1982年，英国纽卡斯尔大学重新开展了闭循环柴油机的研究，建造了一台功率为25千瓦的闭循环柴油机。1984-1987年期间，德国蒂森公司北海船厂建造了模拟潜艇舱段的闭循环柴油机试验台。
闭循环柴油机使用奔驰柴油机，输出功率在1800转/分时为150千瓦。试验持续进行了250小时，模拟的下潜深度为430米。
1989年，该公司又建成了第二代闭循环柴油机装置，采用奔驰公司更大功率的柴油机，功率为500千瓦。模拟的下潜深度为500米。试验一直进行到1991年。
1992年9月，蒂森公司北海船厂又将由MTU柴油机、吸收器和海水管理系统组成的闭循环柴油机装在U-1潜艇上，于1993年2-4月在波罗的海进行了广泛的海试，试验取得了成功。目前，蒂森公司继续致力于闭循环柴油机的发展工作，提出将闭循环柴油机用于改装209级潜艇和阿根廷的TR-1700型潜艇。
德国布鲁克海洋技术公司与曼恩公司合作，在1982年研制成一种添加氧和氩的闭循环柴油机用于民用潜水器。1989年，装有闭循环柴油机的"海马-KD"潜水器成功地进行了试航。此潜水器排水量为50吨，可载4人，水下航速5节。柴油机为曼恩公司的6缸D2566E，输出功率在1500 转/分转速时为118千瓦，在1800转/分时为144千瓦，油耗218-220克/千瓦小时，氧耗950 克/千瓦小时。
苏联也是开展闭循环柴油机比较早的国家之一。早在第二次世界大战前就开始了闭循环柴油机的研究。第二次世界大战后，苏联利用从德国获取的闭循环柴油机技术，结合本国的经验，设计了采
用闭循环柴油机的615型潜艇（也称Q 级潜艇）。
此型潜艇的首艇于1952年建成。正常排水量400吨，下潜深度140米。使用两台功率各为700HP的M-50n型闭循环柴油机。M-50n以液氧为氧化剂，以氢氧化钙为二氧化碳吸收剂。
在615型潜艇的基础上，苏联还设计了637型用闭循环柴油机的小型潜艇，但1958年由于苏联建成了第一艘核潜艇，因此，637型潜艇后来就停止了。
到60年代，苏联以闭循环柴油机为动力装置的潜艇研究工作全部停止。到70年代，所有约30艘615型（含改进型A615）潜艇都退役。
英国是第二次世界大战后最早研制闭循环柴油机的国家之一。1957年，英国研制采用过氧化氢为氧源的150千瓦半闭循环柴油机系统，但当时未获成功。
80年代初，英国重新开始了闭循环柴油机的研制。英国纽卡斯尔大学先后研制出以氩和氮为工质的闭循环柴油机，采用氢氧化钾溶液吸收排气中的二氧化碳。
1982年，纽卡斯尔大学建成了一台功率为25千瓦的、采用海水管理系统吸收和排除二氧化碳的闭循环柴油机。海水管理系统由卡尔顿深海系统公司研制。
此后，英国建造了用闭循环柴油机的IM-135型潜水器。此器排水量80吨，1993年进行了海上试验。
英国也对新型的"支持者"级潜艇（排水量2400吨）进行了采用闭循环柴油机的方案设计。
荷兰也是在80年代积极参与闭循环柴油机研制的国家。1986年，荷兰鹿特丹干船坞公司建成了功率为150千瓦的闭循环柴油机试验台。柴油机采用德国奔驰公司的OM422型柴油机。此后，
荷兰又建成了功率为450千瓦的闭循环柴油机试验台，并进行了试验。
荷兰正在研制一种名为"增大潜艇续航力的动力装置（SPECTRE）"的功率为600千瓦的闭循环柴油机系统（由两台300千瓦柴油机组成），准备装备排水量为1800吨的"海鳝"级潜艇。
意大利马利塔利亚公司二十多年来一直从事闭循环柴油机的研究。1978年和1982年，他们先后研制出两艘完全由闭循环柴油机推进的小型潜艇，排水量分别为120吨和80吨。两艘潜艇的闭
循环柴油机的贮氧均采用在两层艇体之间加装盘绕的螺旋形钢管贮氧设计，贮氧压力为280巴。
意大利泛安科纳公司研制了采用闭循环柴油机的S-300CC型潜艇。闭循环柴油机采用4台170千瓦的柴油机。贮氧也用了两层艇体间装盘绕螺旋钢管方式。
意大利Sub-Sea Oil Service公司建造了3艘装有闭循环柴油机的小型潜艇。有两艘艇的闭循环柴油机的功率各为420HP。贮氧也用盘绕螺旋钢管方式。
日本日立造船公司从70年代开始研究半闭循环和闭循环柴油机系统。1975年建成了HIRUP-30E型闭循环柴油发电机组，输出功率16千瓦，由于采用高压压缩气态氧，装置的性能指标欠先进。
日本三井公司建成了一台300千瓦的闭循环柴油机陆上试验装置。吸收二氧化碳采用Alkanolamine（商标）。三井公司还研制出一型水下机器人R1用的闭循环柴油机系统，并进行了水下试验，柴
油机功率5千瓦，可使R1连续工作24小时。
闭循环汽轮机以法国舰艇建造局研制的最为成熟。法国称此种装置为潜艇自主式能源系统（MESMA）。
法国自1988年以来，一直使用400千瓦燃烧室试验平台和10千瓦的汽轮机进行闭循环汽轮机的试验。1992年1月，法国舰艇建造局的安德莱研究试验中心开始设计全尺寸的闭循环汽轮机系统，并计划于1996年将该系统安装在一个独立的潜艇舱段中进行试验。法国目前还在开发功率为600千瓦的闭循环汽轮机，并计划将功率进一步提高到1300千瓦。首艘使用这种能源装置的潜艇将是巴基斯坦海军的“汉扎”号潜艇，目前正在法国“阿戈斯塔90B”型潜艇基础上根据许可在卡拉奇造船厂建造。巴基斯坦最初的首批两艘“阿戈斯塔90B”型潜艇使用的是常规柴电能源装置，根据计划，今后将为这两艘
潜艇装配辅助性汽轮机能源装置，从而提高使潜艇自持力提高2-4倍。
“阿戈斯塔90B”型潜艇
[影响]
常规潜艇采用不依赖空气的动力装置，将对常规潜艇带来深远的影响，甚至是革命性的变化。长期以来，人们最为头痛的是常规潜艇需要采用通气管航行方式来解决航渡时的航行问题。不依赖空气的动力装置的出现，可使常规潜艇的通气管航行方式得以减少，极大地减少了潜艇的暴露率。增加了潜艇的隐蔽性，从而提高了常规潜艇的战术技术价值。另外，不依赖空气的动力装置的使用，也提高了潜艇的水下续航力，当然反过来也增加了潜艇的隐蔽性。这正是常规潜艇使用不依赖空气的动力装置的最大意义之所在，也体现了常规潜艇在生命力和战术性能上的重要价值。不过，目前的不依赖空气的动力装置，不论是那种类型，均不能非常充分地极大地体现隐蔽性的提高，只能一定程度的改进。因为当前已经实用的或即将装艇的各种不依赖空气的动力装置由于受技术的限制，都采用与柴油机、蓄电池相结合的形式与它们混合使用，起所谓"辅助的AIP系统"的作用，即只能用于潜艇作低速巡航（2-6节）和满足艇上低生活负载的需要，艇在高速航行仍需要使用柴油机电力推进系统。在21世纪初，潜艇使用不依赖空气的动力装置将由这种混用过渡到完全使用，即单一地使用不依赖空气的动力装置，此时潜艇对通气管航行的依赖将会极大减少，极大地减少暴露率，极大地提高水下续航力。
空气热机实验
空气热机实验 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。 【实验目的】 空气热机原理、卡诺循环、卡诺定理 【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。 图1 空气热机工作原理 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 实际热机：η≦ΔT/ T1 正比于ΔT/n，n为热机转速，η正比于热机每一循环从热源吸收的热量Q 1 及ΔT均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/ΔT，观察它n A/ΔT。n，A，T 1 的关系，可验证卡诺定理。 与ΔT/ T 1 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。 【实验仪器】 ZKY-RJ型空气热机实验仪、示波器
【实验内容】 1．测量不同冷热端温度时的热功转换值（表1），作nA/ΔT 与ΔT/ T 1的关系图， 验证卡诺定理。 2．测量热机输出功率随负载及转速的变化关系（表2），作图分析。 【注意事项】 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，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．热机汽缸等部位为玻璃制造，容易损坏，请谨慎操作。 4．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。等待热机稳 定读数的时间一般在10分钟左右。 5．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。 6．飞轮在运转时，应谨慎操作，避免被飞轮边沿割伤。
热机论文
Air heat engine experiment Name: Student Id: College: Major: Abstract：To do this experiment is in order to make us understand the emission of Air heat engine and receive the component the principle, and through the experiment we should complete the rotarion of Air heat engine and realizes the process of function conversion of the air heat engine. keywords：Air heat engine function conversion 姓名：学号： 学院：专业： 摘要:这个实验能使我们了解空气热机做功原理，通过实验我们应该完成空气热机的转动和理解工作原理，并了解空气热机功能转换的过程。 关键词：空气热机功能转换 空气热机实验报告 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2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中的重要内容。 一、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
空气热机
实验报告 物理系 08级 姓名：XXX 学号：198200XXXXXXXX 实验题目：空气热机 一、实验原理 热机是将热能转换为机械能的机器，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中的重要内容，是很好的实验教学仪器。 1．热机发电原理 空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主机由汽缸、高温区、低温区、工作活塞、位移活 塞、飞轮、连杆等部分组成。 汽缸的上部有螺旋状的加 热电阻，构成高温区，汽缸下部 为水冷的低温区。汽缸下面的活 塞是工作活塞，它使汽缸内气体 封闭，并在气体的推动下对外做功。工作活塞上面是位移活 塞，它是半封闭活塞，气体可 通过其中间圆柱内充塞的细 铜丝流动，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，并在通过铜丝 时预冷（热）。 工作活塞与位移活塞通 过连杆与飞轮连接，相位相差 90度，当某一活塞处于位置极 值时，它本身的位置变化率最 小，而另一个活塞的位置变化 率最大。在作热机工作时，位 移活塞超前工作活塞90度。当工作活塞处于最顶端时，位移活塞迅速下移，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下运动，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 塞在最底端时，位移活塞迅速 上移，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 图 3 空气热机实验装置 空气热机 位移传感器 变 压器 图 1 热机结构及原理图 图2 作为热泵和制冷机操作热空气发动机的操作原理： 上图为热泵、下图为冷泵
空气热机实验报告范文
2020 空气热机实验报告范文Contract Template
空气热机实验报告范文 前言语料：温馨提醒，报告一般是指适用于下级向上级机关汇报工作，反映情况，答复上级机关的询问。按性质的不同，报告可划分为：综合报告和专题报告；按行文的直接目的不同，可将报告划分为：呈报性报告和呈转性报告。体会指的是接触一件事、一篇文章、或者其他什么东西之后，对你接触的事物产生的一些内心的想法和自己的理解 本文内容如下：【下载该文档后使用Word打开】 篇一：空气热机实验论文报告 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。
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，Q 1为热机每一循环从热源吸收的热量，Q 2 为热机每一循环向冷源放出的热量，T 1为热源的绝对温度，T 2 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：
空气热机实验报告范文.doc
空气热机实验报告范文 篇一：空气热机实验论文报告 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
四川大学空气热机实验报告
综合设计与创新物理实验空气热机实验报告 学院: XX学院 学生姓名: XX 学号: XX 二零XX年X月X日
空气热机实验报告 摘要：空气热机是利用空气不同温度的空气导致不同气压的原理，使空气产生流动从而将热能转换为机械能的机器。本实验测量了不同的冷热端温度时的热功转换值及热机输出功率随负载及转速的变化关系，验证了卡诺定理，探讨出热机效率的影响因素。 关键词：空气热机卡诺定理热工转换输出功率 1 实验过程 1.1 实验原理 空气热机主机由高温区，低温区，工作活塞及气缸，位移活塞及气缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。工作活塞使气缸内气体封闭，并在气体的推动下向外做功。当工作活塞处于最低端时，位移活塞迅速左移，使气缸内气体向高温区流动；进入高温区的气体温度升高，使气缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞处于最顶端时，位移活塞迅速右移，使气缸内气体向低温区流动，进入低温区的气体温度降低，使气缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下移动，完成循环。 卡诺根据对热机效率的研究而得出了卡诺定理。对于循环过程可逆的理想热机，热机转换效率： η=A/Q1=(Q1-Q2)/Q1=(T1-T2)T1=△T/T1 实际的热机都不可能是理想热机，由力学第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≤△T/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。 当热机带负载时，热机向负载输出的功率可由力矩计测量而得，且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。 1.2 实验设备 1）空气热机实验仪（电加热型热机实验仪） 2）电加热器电源 3）双跟踪示波器 1.3 实验方法 1)测量不同冷热温度时的热功转换值 根据说明将各部分仪器连接起来，取下力矩计。打开电源，取下力矩计，将加热电压加到第11档（36伏左右），等待约6-10分钟，待加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，使热机运转起来（热机测试仪显示的温差△T在100度以上时易于启动）。 减小加热电压至第一档（24伏左右），调节示波器，观察压力和容积信号，以及压力和容积信号之间的相位关系等，并把P-V图调节到最适合观察的位置。等待约10分钟，温度
空气热机实验仪软件操作说明书
ZKY-RJ 空气热机实验仪 软件操作说明书 成都世纪中科仪器有限公司
第一章概述 1 1.1软件的功能 1 1.2本系统的运行环境。 1 1.2.1 硬件运行环境 1 1.2.1 软件运行环境 1 1.2.3本系统的安装方法。 2 第二章操作方法 2 2.1具体操作说明 2 2.1.1 系统初始条件 2 2.1.2 系统启动 2 2.1.3 各功能操作说明 3 第一章概述 1.1软件的功能 本软件能够将空气热机实验装置的气缸容积及压力随转动的信号盘的转角(即汽缸中的飞轮盘运动的角度)以实时地显示出来。同时能够自动得到气缸运动一周的容积－压力变化曲线图，并自动计算出该容积－压力变化曲线图所围成的面积。与此同时，能够得到热机实验仪上显示的所有数据，如T1和T2和ΔT、热机转速。 1.2本系统的运行环境 1.2.1 硬件运行环境 CPU：PⅣ 400MHz 以上； 内存：256MB以上； 显卡：支持800Χ600以上； RS232串行口。
1.2.1 软件运行环境 操作系统： WindowsNT4.0或WindowsXP以上； 1.2.3本系统的安装方法 本系统的安装程序为一张光盘。安装本系统时，需运行Setup.exe，然后根据安装向导的提示完成安装即可。 第二章操作方法 2.1具体操作说明 2.1.1 系统初始条件 初始条件：在空气热机实验仪已经开启，空气热机实验装置正常运转 2.1.2 系统启动 在空气热机实验仪已经开启，空气热机实验装置正常运转后，用键 盘或鼠标激活“开始 → 程序 → 中科教仪-空气热机 →空气热机实验”(具体操作方法请查阅有关WINDOWS95、WINDOWS98或WINNT的相关章
空气热机实验原理介绍
空气热机实验实验原理介原理介原理介绍绍 热机是机是将将热能转换为转换为机械能的机器。机械能的机器。机械能的机器。历历史上史上对热对热对热机循机循机循环过环过环过程及程及程及热热机效率的机效率的研研究，曾究，曾为热为热为热力力学第2定律的定律的确确立 起了奠基性的作用。斯特林1816年发明的空明的空气气热机，以空机，以空气气作为工作介工作介质质，是最古老的，是最古老的热热机之一。机之一。虽虽然现在已 发展了展了内内燃机，燃燃机，燃气气轮机等新型机等新型热热机，但空机，但空气气热机结构简单简单，便于，便于，便于帮帮助理解助理解热热机原理机原理与与卡诺循环等热力学中的重要重要内内容，是很好的容，是很好的热热学实验实验教教学仪器。 【实验实验目的】目的】 1．理解理解热热机原理及机原理及热热循环过环过程程 2．测量不同量不同输输入功率（冷入功率（冷热热端温差改差改变变）下）下热热功转换转换效率，效率，效率，验证验证验证卡卡诺定理 3．测量热机输出功率出功率随随负载负载的的变化关系，系，计计算热机实际实际效率效率 【实验仪实验仪器】器】 空气热机，机，热热源（可源（可选择电选择电选择电加加热或酒精或酒精灯灯加热），），热热机实验仪实验仪，，计算机（或示波器），力矩算机（或示波器），力矩计计 【实验实验原理】原理】 空气热机的机的结结构及工作原理可用及工作原理可用图图1说明。明。热热机主机由高机主机由高温区温区温区，低，低，低温区温区温区，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，缸，飞轮飞轮飞轮，，连杆，杆，热热源等部分源等部分组组成。 热机中部机中部为飞轮为飞轮为飞轮与与连杆机杆机构构，工作活塞，工作活塞与与位移活塞通位移活塞通过连过连过连杆杆与飞轮连飞轮连接。接。接。飞轮飞轮飞轮的下方的下方的下方为为工作活塞工作活塞与与工作汽缸，缸，飞轮飞轮飞轮的右方的右方的右方为为位移活塞位移活塞与与位移汽缸，工作汽缸位移汽缸，工作汽缸与与位移汽缸之位移汽缸之间间用通用通气气管连接。位移汽缸的右接。位移汽缸的右边边是高是高温区温区温区，，可用可用电热电热电热方式或酒精方式或酒精方式或酒精灯灯加热，位移汽缸左，位移汽缸左边边有散有散热热片，片，构构成低成低温区温区温区。。 工作活塞使汽缸工作活塞使汽缸内内气体封体封闭闭，并在气体的推体的推动动下对外做功。位移活塞是非封外做功。位移活塞是非封闭闭的占位活塞，其作用是在循环过环过程中使程中使程中使气气体在高体在高温区温区温区与与低温区温区间间不断交换，气体可通体可通过过位移活塞位移活塞与与位移汽缸位移汽缸间间的间隙流隙流动动。工作活塞。工作活塞与与位移活塞的移活塞的运动运动运动是不同是不同是不同步步的，的，当当某一活塞某一活塞处处于位置于位置极值极值极值时时，它本身的速度最小，而本身的速度最小，而另另一个活塞的速度最大。 图1空气热机工作原理 当工作活塞工作活塞处处于最底端于最底端时时，位移活塞迅速左移，使汽缸，位移活塞迅速左移，使汽缸内内气体向高体向高温区温区温区流流动，如，如图图1 a 所示；所示；进进入高入高温区温区温区的的气体温度升高，使汽缸度升高，使汽缸内内压强增大增大并并推动工作活塞向上工作活塞向上运动运动运动，如，如，如图图1 b 所示，在此在此过过程中程中热热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞在最的机械能；工作活塞在最顶顶端时，位移活塞迅速右移，使汽缸，位移活塞迅速右移，使汽缸内内气体向低体向低温区温区温区流流动，如，如图图1 c 所示；所示；进进入低入低温温 区的气体温度降低，使汽缸度降低，使汽缸内内压强减小，同小，同时时工作活塞在工作活塞在飞轮惯飞轮惯飞轮惯性力的作用下向下性力的作用下向下性力的作用下向下运动运动运动，完成循，完成循，完成循环环，如，如图图1 d 所示。在一次循所示。在一次循环过环过环过程中程中程中气气体对外所作外所作净 净功等于P-V 图所围的面的面积积。根据根据卡卡诺对热诺对热机效率的机效率的机效率的研研究而得出的究而得出的卡卡诺定理，热机的机的热热功转换转换效率：效率： η ∝（T 1-T 2）/T 1 = ΔT/ T 1 式中式中T T 2为冷源的冷源的绝对绝对绝对温温度，度，T T 1为热为热源的源的源的绝对绝对绝对温温度，度，热热机冷机冷热热源的源的温温度比度比值值越小，越小，热热机的机的热热功效率越高。本实验实验中，中，中，电热电热电热功率可以功率可以功率可以计计算，由算，由热热能转换转换的机械功率由的机械功率由P-V 图面积与热机每秒转速相乘而得，速相乘而得，测测量并计算不同冷算不同冷热热端温度时热时热功功转换转换效率，可效率，可效率，可验证验证验证卡卡诺定理。 当热机带负载时带负载时，，热机向机向负载输负载输负载输出的功率可由力矩出的功率可由力矩出的功率可由力矩计测计测计测量量计算而得，且算而得，且热热机实际输实际输出功率的大小出功率的大小出功率的大小随随负载负载的的变化而化而变变化。在化。在这这种情况下，可同下，可同时测时测时测量量计算出不同算出不同负载负载负载大小大小大小时时的热功转换转换效率和效率和效率和热热机实际实际效率。效率。 【仪器介器介绍绍】 1. 实验实验装装置介置介绍绍 整套实验实验装装置以置以电电加热器为例进行介绍，如，如图图2所示。
空气热机实验报告
利用空气热机验证卡诺定理 田群王静菊 （中国海洋大学海洋环境学院海洋气象系，山东青岛，266100） 摘要：本文介绍了利用空气热机验证卡诺定理的原理和方法。得到实验结果与卡诺定理的理论值基本一致，并对产生误差的原因做了讨论。 关键词：卡诺定理；空气热机；热效率 卡诺定理（Carnot Theorem）是法国物理学家尼古拉·卡诺（Nicolas Carnot）在前人工作的基础上于1924年提出的。此定理说明热机的最大热功率只与高温热源与低温热源之间的温度差有关，即： T C 为低温热源的绝对温度，T H 为高温热源的绝对温度[1]。空气热机是以空气为工作物质的热机，在1816年由伦敦牧师罗伯特·斯特林（Robert Stirling）发明，因此又称为“斯特林发动机”，是最古老的热机之一[2]。本文将利用空气热机验证卡诺定理，并对空气热机的效率低于卡诺热机效率的原因做一些分析。 1空气热机的工作原理 空气热机的工作部分结构如图1，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。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。
空气热机实验论文报告
空气热机试验 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 引言: 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： ()11211211//)(//A T T T T T Q Q Q Q ?=-=-==η 式中A 为每一个循环中热机做的功，1Q 为热机每一循环从热源吸收的热量，2Q 为热机每一个循环向冷源放出的热量，1T 为热源的绝对温度，2T 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：
大学物理完整版
实验一：物体密度 量角器的最小刻度是0.5.为了提高此量角器的精度，在量角器上附加一个角游标，使游标30个分度正好与量角器的29个分度的等弧长。求：（1、）该角游标的精度；（2、）如图读数 答案：因为量角器的最小刻度为30’.游标30分度与量角器29 分度等弧长，所以游标精度为30/30=1，图示角度为149。45’ 测定不规则的固体密度时，若被测物体浸入水中时表面吸附着水泡，则实验结果所得密度值是偏大还是偏小?为什么？ 答案：如果是通过观察水的体积的变化来测量不规则物体的体积,那么计算的密度会减小,因为质量可以测出,而吸附气泡又使测量的体积增大（加上了被压缩的气泡的体积）所以密度计算得出的密度减小 实验二：示波器的使用 1、示波器有哪些组成部分？每部分的组成作用？ 答案：电子示波器由Y偏转系统、X偏转系统、Z通道、示波管、幅度校正器、扫描时间校正器、电源几部分组成。 Y偏转系统的作用是：检测被观察的信号，并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转极板上。 X偏转系统的作用是：产生一个与时间呈线性关系的电压，并加到示波管的x偏转板上去，使电子射线沿水平方向线性地偏移，形成时间基线。 Z通道的作用是：在时基发生器输出的正程时间内产生加亮信号加到示波管控制栅极上，使得示波管在扫描正程加亮光迹，在扫描回程使光迹消隐。 示波管的作用是：将电信号转换成光信号，显示被测信号的波形。 幅度校正器的作用是：用于校正Y通道灵敏度。 扫描时间校正器的作用是：用于校正x轴时间标度，或用来检验扫描因数是否正确。 电源的作用是：为示波器的各单元电路提供合适的工作电压和电流。 为什么在实验中很难得到稳住的李萨如图形，而往往只能得到重复变化的某一组李萨如图形？ 答案：因为在实验中很难保证X、Y轴的两个频率严格地整数倍关系,故李莎茹图形总是在不停旋转,当频率接近整数倍关系时,旋转速度较慢； 实验三：电位差计测量电动势 测量前为什么要定标？V0的物理意义是什么?定标后在测量Ex时，电阻箱为什么不能在调节? 答案：定标是因为是单位电阻的电压为恒定值，V0的物理意义是使实验有一个标准的低值，电阻箱不能动是因为如果动了电阻箱就会改变电压，从而影响整个实验；为了保持工作电流不变.设标准电压为En,标准电阻为Rn,则工作电流为I=En/Rn,保持工作电流不变,当测量外接电源时,调节精密电阻Ra,使得电流计示数为零,有E=I*Ra,若测试过程中调节了电位器Rc,则导致I产生变化,使测得的E不准（错误） 保护电阻是为了保护什么仪器？如何使用？ 答案:保护电阻主要是保护与它串联的那些元件. 先将保护电阻调节的到最大,在保证电流不超过仪器的最大工作范围这个前提下,逐步降低到最小. 电位差计实验中标准电源器什么作用？使用时应注意什么问题？ 答案：标准电源起到参考基准的作用,一般用标准电池,保护电阻不使得标准电池过放电.使用时保护电阻是串联的,观察指零仪时间要尽量短暂,避免长时间放电以免电压变化.
四川大学 创新型物理实验 空气热机实验
空气热机实验 1143092146 付美梅 (轻纺与食品学院轻化工程） 摘要：本实验利用空气热机测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理；后又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。最后，由此实验得到的一些创新想法。 关键词：空气热机；卡诺定理；热机效率；余热再用；火法冶金；鼓风；转鼓；风扇 热机[2]是将热能转换为机械能的机器。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。其结构简单，便于帮助理解热机原理与卡诺循环等热力学中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。 卡诺定理[3]是卡诺1824年提出来的，其表述如下： （1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关,与可逆循环的种类也无关。 （2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。 1 实验原理[1] 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。 空气在高温区和低温区间不断交换，使汽缸内压强不断变化，从而推动位移活塞和工作活塞的循环移动。 图1 空气热机工作原理 （1）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而实际热机：η ≦ΔT/ T1 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。而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，即可验证卡诺定理。 （2）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。 2 实验装置及实验方法 本实验中使用的设备和装置有：空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器及电源，计算机（或双踪示波器）。 实验方法如下： （1）测量不同冷热端温度时的热功转换值： 正确连接仪器，将力矩计尽可能的调松，打开电源，将加热电压加到第11档。等待加热电阻丝发红，当ΔT接近100K时，顺时针拨动飞轮令热机运转。 减小加热电压至第1档，调节示波器，观察压力和容积信号，以及压力和容积信号之间的相位关系等，并把P-V图调节到最适合观察的位置。等待约10分钟，温度和转速平衡后，记录当前加热电压，并从热机测试仪上读取温度和转速，从双踪示波器显示的P-V图估算P-V图面积，记入表1中。 逐步加大加热功率，等待约10分钟，温度和转速平衡后，重复以上测量4次以上，将数据记入表1。 以ΔT/ T1为横坐标，nA/ΔT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。 （2）测量热机输出功率随负载及转速的变化关系： 在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转。然后将力矩计调紧，拨动飞轮，让热机继续运转。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，读取并记录各项参数于表2中。
空气热机实验 (1)
空气热机实验研究 化学工程学院过程装备与控制工程1班 摘要：掌握空气热机原理及循环过程，测量不同冷热端温度时的热功转换值，作nA/ΔT与ΔT/ T1的关系图，验证卡诺定理。测量并指出热机输出功率随负载及转速的变化关系。 关键词：空气热机、卡诺循环、卡诺定理、输出功率 【前言】 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中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。 【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，它本身 1作者:男，化学工程学院09级过程装备与控制工程1班学生，主要从事化工机械设备控制、设计等方面
大学物理实验习题及答案汇编
大学物理实验习题汇编 一、示波器的使用 [预习题] 1、简述示波器各个按纽的作用。 2、观察信号随时间的变化图形时必须加上锯齿波扫描信号，为什么？ [作业题] 1、如何在示波器屏幕上得到以下图形？（1）一个光点；（2）两条点线；（3）两个从左至右移动的亮点。 2、假定扫描信号是频率为f 的锯齿波，Y 轴输入信号为]2)(4sin[00ππ+ -=t t f U V y ，试用 作图法画出示波器屏幕上显示的图形。 二、电位差计的原理和使用 [预习题] 1、用电位差计测量电动势的原理、方法。 2、测量中，电流标准化后，强调变阻器R 1固定不变的原因和可变电阻R 2的作用？ 3、箱式电位差计的组成及各按纽的作用。 4、本实验要求及注意事项。 [作业题] 1、按图4连接电路，接通K 1，将K 2倒向Es 或Ex 后，无论怎样调节活动端m 、n ，检流计指针总向一边偏转，试问有哪些可能的原因？ 三、全息照相 [预习题] 1、全息片的基本特点是什么？ 2、要想得到再现图像不重叠的全息片，在拍摄过程中应注意什么？ 3、物光与参考光的光程差一般为多少？为什么？ 4、冲洗全息底片时应注意什么？ [作业题] 1、为什么要求光路中物光与参考光的光程尽量相等？ 2、制作全息衍射光栅时，为什么到达感光片的两束光要接近于平行光？ 四、霍尔效应 [预习题] 1、什么是霍尔效应？霍尔电压是如何产生的？ 2、简述用霍尔效应测量磁场的原理。 3、如何消除副效应对实验的影响？ [作业题]
1、由V H-x 、V H-y 曲线讨论说明电磁铁缝隙中磁场的分布情况。 2、根据实验计算出载流子浓度n 及载流子迁移率μ。 五、等厚干涉 [预习题] 1、由于测微鼓轮中螺距间总有间隙存在，当测微鼓轮刚开始反向旋转时会发生空转，引起读数误差（称为空回误差），实验时应如何避免？ 2、在实验中，若叉丝中心没有通过牛顿环的中心，以叉丝中心对准暗环中央所测出的并不是牛顿环的直径，而是弦长，以弦长代替直径代入公式进行计算，仍能得到相同的结果，请从几何的角度证明之。 3、如何消除副效应对实验的影响？ [作业题] 1、比较牛顿环和劈尖干涉条纹的异同点。 2、如果牛顿环中心不是暗斑而是亮斑，是什么原因引起的？对测量有无影响？ 3、在牛顿环实验中，如果平板玻璃上有微小的凸起，将导致牛顿环条纹发生畸变。该处的牛顿环将局部内凹还是外凸？为什么？ 六、转动惯量 [预习题] 1、公式中J 、J 0、J x 各代表什么？哪个是转动系统对中心轴的转动惯量？ 2、为什么在原理部分要列1θ、2θ两式？其目的是什么？ 3、实验中如何实现仅在μM 作用下的匀减速转动？ [作业题] 1、 刚体的转动惯量与哪些因素有关？如何通过实验验证？ 七、分光计的调整及光栅衍射 [预习题] 1、分光计主要有哪几部分组成？ 2、分光计调整的三大步骤是什么？各是怎样调整好的 ？ 3、根据分光计的度盘和游标盘的刻度定出本分光计的分度值是多少？ [作业题] 1、为什么可用适合于观察平行光的望远镜来调节平行光管发出平行光？ 2、如果望远镜中“绿色十字”在物镜焦点以内或以外，则“绿色十字”焦点经过垂直于望远镜主光轴的 平面镜反射后的像将各在何处？ 3、光栅光谱和棱镜光谱有哪些不同之处？在上述两种光谱中哪一种颜色的光偏向角度最大？ 4、当用钠光垂直入射到1毫米内有500条刻痕的平面透射光栅上时，试问最多能看到第几
实验28空气热机实验
实验28空气热机实验 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2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中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。 【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(电热源)，空气热机测试仪，双踪示波器。 【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28－2所示 图28－2 电加热型热机实验 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 2 3 4 5 6 7 8 图28－3 加热器电源前面板示 ①．加热器电源前面板 简介（见图28－3） 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 9 10 图28－4 加热器后面板
空气热机输出功率的研究123456
空气热机输出功率的研究 彭修诚，汪世伟 （中国海洋大学海洋地球科学学院地球信息科学与技术，青岛266000） 摘要测量了空气热机不同冷热端温度时的热功转换值，分析了热机输出功率随负载及转速的变化关系，绘制了热功转换及热机输出功率的曲线图，计算了热机实际效率。分析了实验产生误差的原因。 主题词空气热机，热功转换值，输出功率 引言 热机是把热转化为功的机械。18世纪第一台蒸汽机问世以后，经过许多人的改进，特别是纽科门和瓦特的工作，使蒸汽机成为普遍适用于工业的万能原动机。斯特林于1816年发明的空气热机，以空气为工作介质，是最古老的热机之一。虽然现在内燃机、燃气轮机等新型热机早已渗透到工业生产的方方面面，但是空气热机结构简单，便于帮助理解热机工作原理与卡诺循环等热力学中的重要内容，仍然是很好的教学仪器[1]。一个热机至少应包含如下三个组成部分：（1）循环工作物质；（2）两个以上温度不相同的热源，使工作物质从高温热源吸热，向低温热源放热；（3）对外做功的机械装置[2]。 空气热机结构与原理 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，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。 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