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热机效率综合实验仪
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引 言
热效率实验仪可以作为热机或热泵使用，当它作为一个热机使用时，从高温热源发出来的热量通过电流流过一个负载电阻来做功，可以测出热机的实际效率而且可以与理论最大效率相比。当它作为一个热泵时，将热量从低温热源传递到高温热源时，可以测出热泵的实际制冷系数并和理论上的制冷系数比较。
1821年，德国物理学家托马斯?约翰·?约翰塞贝克发现，当给连接在一起的不同金属加热时，就会产生电流，这一现象称为塞贝克效应，这也是热电偶的基本原理。之后，在1834年，法国物理学家让?查尔斯?珀尔帖发现塞贝克效应的逆效应，根据电流的流向，连接在一起的金属会引起吸热或放热。这种热电转换器被称为珀尔帖片。本热效率实验仪是以珀尔帖片为核心构建的。
图a帕尔帖内部结构
帕尔帖片是由 P型和N型半导体构成，如图 a。当P-N对的两端存在温度
差时，N型半导体中的电子由热端向冷端扩散，使 N型半导体的冷端带负电而
热端带正电；同时 P型半导体中的空穴也由热端向冷端扩散，使 P型半导体的
冷端带正电而热端带负电，通过金属片将 P型半导体和N型半导体的热端连接
起来形成P-N对，则在P型半导体的冷端和 N型半导体的冷端输出直流电压，
将多个P-N对串联起来就可以得到较大的输出电压， 从而实现“温差发电”，如图
b。当给帕尔帖片通直流电流时，根据电流方向的不同，将在一端吸热，在另一端放热，从而实现“制冷”。
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图b发电过程 图c制冷过程
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帕尔帖片虽然效率低，但可靠性高，不需要循环流体或移动部件 。典型的应
用如卫星电源和远程无人气象站等。
实验原理
热机
热机是利用一个高温热源和一个低温热源的温差来做功。对于热效率实验
仪，热机是利用电流通过一个负载电阻来做功，做功最终产生的热量，被负载电阻所消耗（焦耳热）。
热机原理如图1所示，根据能量守恒定律（热力学第一定律）得出
QH W QC
热机的热输入等于热机所做的功加上向低温热源的排热量。
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冷端
Qc
Tc

热端
热机 Qh
Th
W
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图1热机
实际效率
W
热机的效率定义为 e
QH
如果把所有的热输入转换成有用功，热机的效率就会为1，因此它的效率总是小于1的。
注意：用热机效率仪测量热量转化率，测量的是功率而不是能量。由
P dQ /dt，方程QH W QC变成P P P，效率为e PW。
H H H W C
PH
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卡诺效率
卡诺指出，热机的最大效率仅与热源的温度差有关，而与热机的型号无关。
TH TC
eCarnot
TH
温度必须在开氏温度下。效率能够达到100%的只是运作在TH和绝对零度之间的热机。假设没有由于摩擦、热传导，热辐射、以及装置内部电阻的焦耳热量而引起的能量损失，卡诺效率是对于给定的两个温度效率最高的热机。
调整效率
利用热效率实验仪，可以将损失的能量添加回功率 P和P，最终的调整效
W H
率接近卡诺效率。
热泵（制冷机）
介绍
热泵是热机的逆向运行。作为热泵工作时，是将热量从低温热源抽到高温热源。就像一个冰箱将热量从冷藏室抽到温室，或者像冬天里，将热量从寒冷的户外抽到到温暖的室内。
热泵的原理如图2所示。
注意：相比图1中的热量箭头是逆向的。能量守恒 QCW QH或者功率守
恒PC PW PH
冷端 热端
Qc 热泵 Qh
Tc Th
W
图2热泵
实际制冷系数
制冷系数是从低温热源抽出的热量与消耗的功率之比。
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COP PC
PW
这类似于热机效率，尽管热效率总是小于 1，但是制冷系数总是大于 1的。
最大制冷系数
热泵的最大制冷系数只取决于温度。
TC
max
TH TC
这里的温度是指开尔文温度。
调整制冷系数
如果所有的损失都是摩擦、热传导、热辐射、和焦耳加热导致的，实际的制