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

空气热机实验仪，空气热机测试仪，电加热器及电源，计算机

       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。

用手顺时针拨动飞轮，结合图1仔细观察热机循环过程中工作活塞与位移活塞的运动情况，切实理解空气热机的工作原理。

根据测试仪面板上的标识和仪器介绍中的说明，将各部分仪器连接起来，开始实验。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，加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，热机即可运转（若运转不起来，可看看热机测试仪显示的温度，冷热端温度差在100度以上时易于起动）。

1、减小加热电压至第1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，温度和转速平衡后，记录当前加热电压，并从热机测试仪（或计算机）上读取温度和转速，从双踪示波器显示的P-V图估算（或计算机上读取）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。

2、在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转，然后将力矩计装在飞轮轴上，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，读取并纪录各项参数于表2中。

保持输入功率不变，逐步增大输出力矩，重复以上测量5次以上。

 

表1，表2中的热端温度T₁、温差ΔT、转速n、加热电压V、加热电流I、输出力矩M可以直接从仪器上读出来，P-V图面积A可以根据示波器上的图形估算得到，也可以从计算机软件直接读出（仅适用于微机型热机测试仪），其单位为焦耳；其他的数值可以根据前面的读数计算得到。

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。

表1   测量不同冷热端温度时的热功转换值

 

2、以n为横坐标，P_o为纵坐标，在坐标纸上作P_o与n的关系图，表示同一输入功率下，输出偶合不同时输出功率或效率随偶合的变化关系。

表2   测量热机输出功率随负载及转速的变化关系                输入功率P_i=VI=