空气热机实验报告.docx

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：
I
— -1
『扁必—??Carnot ~ ~ 亍L
TC为低温热源的绝对温度，Th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。
图1空气热机装置原理图
the structure of Stirling engine
明了卡诺定理的正确性。
3效率损失的原因
2数据的整理与分析
根据苏国珍，李子浚在1999年的工作［4］，
调整加热电压4次，得到4组空气热机
影响空气热机效率低于卡诺热机的因素主
的运行数据，如表1。在测量以上四组数据 要有三个：热阻，热漏和回热损失。
时，。

加热电压
V/v
热端温度
TK
温度差
△T/K
A(P-V)面
J
热机转速
n /(r • s-1)
反应的是介质的传热能力。热阻存在使传热





需要时间和温差，且时间越短温差越大。只





有当时间趋近于正无穷时温差才趋近于零。