空氣熱機實驗
熱機是將熱能轉換為機械能的機器，斯特林1816年發明的空氣熱機，以空氣作為工作介質，是最古老的熱機之一。雖然現在已發展了內燃機，燃氣輪機等新型熱機，但空氣熱機結構簡單，便於幫助理解熱機原理與卡諾循環等熱力學中的重要內容，是很好的實驗教學儀器。【實驗目的】
1．理解空氣熱機的工作原理及循環過程；
2．測量不同冷熱端溫度時熱機的熱功轉換值，驗證卡諾定理；
3．測量熱機輸出功率隨負載及轉速的變化關係，計算熱機實際效率。
【實驗原理】
空氣熱機的結構及工作原理可用圖1說明。熱機主機由高溫區，低溫區，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，飛輪，連杆，熱源等部分組成。
圖1 熱機結構原理圖
熱機中部為飛輪與連杆機構，工作活塞與位移活塞通過連杆與飛輪連接。飛輪的下方為工作活塞與工作汽缸，飛輪的右方為位移活塞與位移汽缸，工作汽缸與位移汽缸之間用通氣管連接。位移汽缸的右邊是高溫區，可用電熱方式或酒精燈加熱，位移汽缸左邊有散熱片，構成低溫區。
工作活塞使汽缸內氣體封閉，並在氣體的推動下對外做功。位移活塞是非封閉的佔位活塞，其作用是在循環過程中使氣體在高溫區與低溫區間不斷交換，氣體可通過位移活塞與位移汽缸間的間隙流動。工作活塞與位移活塞的運動是不同步的，當某一活塞處於位置極值時，它本身的速度最小，而另一個活塞的速度最大。
圖2 熱機工作原理圖
當工作活塞處於最底端時，位移活塞迅速左移，使汽缸內氣體向高溫區流動，如圖2 a所示；進入高溫區的氣體溫度升高，使汽缸內壓強增大並推動工作活塞向上運動，如圖2 b 所示， 在此過程中熱能轉換為飛輪轉動的機械能；工作活塞在最頂端時，位移活塞迅速右移，使汽缸內氣體向低溫區流動，如圖2 c 所示；進入低溫區的氣體溫度降低，使汽缸內壓強減小，同時工作活塞在飛輪慣性力的作用下向下運動，完成循環，如圖2 d 所示。在一次循環過程中氣體對外所作淨功等於P-V圖所圍的面積，四個狀態過程曲線如圖3所示。
圖3 熱機工作的四個狀態過程
根據卡諾對熱機效率的研究而得出的卡諾定理，對於循環過程可逆的理想熱機，熱功效率：
η = A/Q1 =（Q1-Q2）/Q1=（T1-T2）/T1 = ΔT/ T1
式中A為每一循環中熱機做的功，Q1 為熱機每一循環從熱源吸收的熱量，Q2為熱機每一循環向冷源放出的熱量，T1為熱源的絕對溫度，T2為冷源的絕對溫度。
實際的熱機都不可能是理想熱機，由熱力學第2定律可以證明，循環過程不可逆的實際熱機，其效率不可能高於理想熱機，此時熱機效率：
η ≦ ΔT/ T1
卡諾定理指出了提高熱機效率的途徑，就過程而言，應當使實際的不可逆機儘量接近可逆機。就溫度而言，應儘量的提高冷熱源的溫度差。
熱機每一循環從熱源吸收的熱量Q1正比於ΔT/n，n為熱機轉速，η正比於nA/ΔT。n，A，T1及ΔT均可測量，測量不同冷熱端溫度時的nA/ΔT，觀察它與ΔT/ T1的關係，可驗證卡諾定理。
當熱機帶負載時，熱機向負載輸出的功率可由力矩計測量計算而得，且熱機實際輸出功率的大小隨負載的變化而變化。在這種情況下，可測量計算出不同負載大小時的熱機實際效率。
【實驗儀器】
空氣熱機實驗儀（含測試架、測試儀以及實驗電源），雙蹤示波器或計算機（自備）
1、空氣熱機實驗儀-測試架（電加熱型）（如圖4所示）
圖4 測試架圖（電加熱型）
光電門和霍爾傳感器用於測量飛輪轉速以及計算工作汽缸體積，飛輪上的位置標記用於定位工作活塞的最低位置，飛輪上的角度轉速標記用於測量飛輪轉動的角度以及轉速測量。由於汽缸的體積隨工作活塞的位移而變化，而工作活塞的位移與飛輪的位置有對應關係，飛輪邊緣均勻分布有45個角度標記，飛輪每旋轉一周可觸發光電門輸出90個位置信號（光電門採用上下沿均觸發模式），即飛輪每轉4度即可輸出一個觸發信號，可用於計算汽缸體積。
壓力傳感器接口用於連接氣壓傳感器模塊，用於測量工作汽缸內的氣體壓強。
高溫端溫度傳感器和低溫端溫度傳感器分別用於測量高低溫區的溫度。
力矩計懸掛在飛輪軸上，調節螺釘用於調節力矩計與輪軸之間的摩擦力；力矩計示值M可從力矩指示標尺讀出，並進而算出摩擦力和熱機克服摩擦力所做的功。經簡單推導可得熱機輸出功率P=2πnM，式中n為熱機每秒的轉速，即輸出功率為單位時間內的角位移與力矩的乘積。
底座上的三個插座分別對應輸出光電門測量的轉速和飛輪位置信號、汽缸壓強信號以及高低溫端溫度信號，實驗時使用專用連接線與空氣熱機測試儀相連。
電壓輸入接口用於與電加熱電源相連，為電加熱器提供加熱電壓。
2、空氣熱機實驗儀-測試儀（如圖5所示）
圖5-1 測試儀前面板圖
圖5-2 測試儀後面板圖
1-高溫區T1溫度顯示窗，單位為℃，要轉換為開爾文溫度K需在示值上增加273.15；
2-低溫區T2溫度或ΔT（T1- T2）顯示窗，單位為℃；
3-T2/ΔT顯示切換按鈕，切換顯示低溫端溫度T2和高低溫端溫度差ΔT；
4-轉速顯示窗，實時顯示熱機轉速，單位為N/s（轉/秒）；
5-輸出I，與示波器X通道相連，用於觀測氣壓信號波形（工作汽缸）；氣壓信號輸出電壓值與實際工作汽缸氣壓的對應關係為：1V=1.893×104Pa；
6-輸出II，與示波器Y通道相連，用於觀測體積信號波形（工作汽缸）；體積信號輸出電壓值與實際容積的對應關係為：1V=0.627×10-5m3；
7-溫度信號輸入插座，四芯，與測試架對應相連；
8-氣壓信號輸入插座，五芯，與測試架對應相連；
9-光電門測量的轉速和飛輪位置信號輸入插座，七芯，與測試架對應相連；
10-控制輸出插座，與電加熱電源控制輸入端相連，當熱機轉速超過15N/s後，測試儀將自動切斷電加熱器電壓輸出，使停止加熱；
11-12電源輸入插座和開關，AC220V供電。
3、實驗電源（如圖6所示）
圖6-1 電加熱電源前面板圖
1-電壓顯示窗，指示電壓輸出值；
2-電流顯示窗，指示電流輸出值；
3-電壓調節旋鈕，調節輸出電壓，範圍22-36V連續可調；
4-電壓輸出插座正極，通過專用52連接線（紅）與電加熱器電壓輸入接口正極相連；
5-電壓輸出插座負極，通過專用52連接線（黑）與電加熱器電壓輸入接口負極相連；
6-控制輸入接口，與測試儀相連，當熱機轉速超過15N/s後，測試儀將自動切斷電加熱器電壓輸出，使停止加熱；
7-供電壓電輸入，AC220V；
8-供電電壓開關。
【實驗儀器線路連接】
1、採用專用連接線將測試儀和測試架上的溫度、氣壓以及光電門插座對應相連，每種插座芯數均不一樣，請仔細查看；
2、採用Q9示波器專用線將測試儀面板上的輸出I和輸出II，分別與示波器Y通道和X通道相連；
3、用52連接線將實驗電源的輸出與測試架上電加熱器部分電壓輸入接口相連；
4、採用專用2芯連接線將測試儀後面板上的「控制輸出」插座與實驗電源後面板「控制輸入」插座對應相連。
【注意事項】
1、測試架高溫區電加熱器上溫度很高，在實驗過程中以及停止實驗後1-2小時內，嚴禁用手觸摸，以免燙傷。
2、熱機在沒有正常運轉時，嚴禁長時間大功率加熱。
3、熱機在啟動初期以及運轉過程中因各種原因停止轉動時，須用手撥動飛輪幫助其重新運轉或立即關閉電源，否則會損壞儀器。
4、熱機汽缸等部位為玻璃製品，容易損壞，請謹慎操作。
5、嚴禁液體濺射在玻璃汽缸上（特別是高溫區），以防炸裂。
6、禁止在熱機工作過程中用手觸摸飛輪，以免割傷。
6、實驗過程中，要待熱機穩定工作後再開展數據記錄；熱機工作穩定後，溫度顯示值以及熱機轉速基本變化緩慢或者沒有變化。
7、在讀力矩的時候，力矩計可能會搖擺。這時可用手輕託力矩計底部，緩慢放手後可以穩定力矩計。如還有輕微搖擺，讀取中間值。
【儀器維護】
熱機屬於高速運轉的機械裝置，需時常維護。維護方式是在熱機處於冷卻狀態時，用手緩慢旋轉飛輪，使達到圖7所示的狀態（以加油方便為準），通過加油窗用油勺給水平軸加一小滴的潤滑油，然後用手轉動飛輪使潤滑油均勻分布在水平軸上即可，切記不可多加，以免汙染熱機。一般加油的時間間隔約為一周。
圖7 熱機維護加油示意圖
【實驗步驟】
1、實驗前，用手緩慢旋轉飛輪，觀察熱機循環過程中各部件的工作狀態，理解熱機的工作原理，同時確保熱機能夠正常運轉，不存在卡死或運動不暢等狀態。
2、參照實驗儀器線路連接說明以及儀器面板標示，將各部分儀器連接起來。
3、熱機空載實驗：
取下力矩計，將實驗加熱電源電壓調節到35V左右，等待8-10分鐘，待加熱電阻絲髮紅後，用手順時針撥動飛輪，熱機即可運轉。一般冷熱端溫差在100℃以上時，熱機才易於啟動。
調小加熱電壓至23V左右，調節示波器，觀察氣壓和體積信號波形，將示波器置X-Y李薩茹圖形顯示模式（雙通道均置交流信號測量檔），調節各通道電壓幅度和上下左右旋鈕，使P-V圖完整顯示在示波器中心合適位置。等待10分鐘左右，待溫度和轉速相對穩定後，記錄當前加熱電壓U和電流值I、熱端溫度T1、熱端和冷端溫差ΔT、熱機轉速n、以及從示波器估算的P-V圖面積，計入表1。
逐步增大加熱電壓，待溫度和轉速相對穩定後，再次記錄上述數據，重複測量5次以上，數據計入表1。
以ΔT/ T1為橫坐標，nA/ΔT為縱坐標，繪製nA/ΔT~ΔT/ T1的關係圖，驗證卡諾定理。（其中A為P-V圖面積，表中攝氏溫度值需轉換為開爾文溫度值）
表1 不同冷熱端溫度時熱機運行數據
4、熱機帶載實驗：
將加熱電壓置於36V，使輸入功率最大，電機高速運行；用手輕觸飛輪使熱機停止運轉，然後將力矩計裝在飛輪軸上，撥動飛輪，使其繼續運轉。調節力矩計的摩擦力，待溫度、轉速以及力矩輸出穩定後，記錄相關參數入表2。
保持輸入功率不變，逐步增大輸出力矩，重複上述測量5次以上，計入表2。
以轉速n為橫坐標，輸出功率Po為縱坐標，作Po~n的關係圖（同一輸入功率下，輸出功率與轉速的對應關係）。
以轉速n為橫坐標，輸出力矩M為縱坐標，作M~n的關係圖（同一輸入功率下，輸出功率與轉速的對應關係）。
表2 熱機輸出功率隨負載及轉速的變化關係 輸入功率Pi=UI= W
備註：示波器P-V圖面積A的估算方法如下：
根據儀器使用說明，用Q9線將儀器上的示波器輸出信號和雙蹤示波器的X、Y通道相連。將X通道的調幅旋鈕旋到「0.2V」交流檔，將Y通道的調幅旋鈕旋到「0.2V」交流檔，顯示模式設置為「X-Y」檔觀測P-V圖，再調節左右和上下移動旋鈕，使示波器觀測到比較理想的P-V圖。再根據示波器上的刻度，在坐標紙上描繪出P-V圖，如圖8所示。以圖中橢圓所圍部分每個小格為單位，採用割補法、近似法（如近似三角形、近似梯形、近似平行四邊形等）等方法估算出每小格的面積，再將所有小格的面積加起來，得到P-V圖的近似面積，單位為「」。根據容積V，壓強P與輸出電壓的關係，可以換算為焦耳。
壓力（X通道）：
容積（Y通道）：
則：
圖8 示波器觀測的熱機實驗P-V圖
附1：熱機實驗數據舉例（數據僅供參考）
1、熱機空載實驗
表3 不同冷熱端溫度時熱機運行數據
以ΔT/ T1為橫坐標，nA/ΔT為縱坐標，得到nA/ΔT與ΔT/ T1的關係圖如圖9所示。
圖9 不同冷熱端溫差時的熱功轉換關係
備註：從圖中可以看出，當熱機轉速較高時，基本滿足nA/ΔT與ΔT/ T1成線性關係；由於熱機氣缸並非完全密閉，所以存在漏氣情況，而且隨熱機轉速不一樣而變化。建議在轉速10轉以上開展測試；實驗時，加熱電壓要緩慢增加，待轉速相對穩定後再讀數。
表4 熱機輸出功率隨負載及轉速的變化關係 輸入功率Pi=UI=35.9*4.92=176.6W
以n為橫坐標，Po為縱坐標，得到Po與n的關係圖10：
以n為橫坐標，M為縱坐標，得到M與n的關係圖11：
圖10 熱機輸出功率與轉速的變化關係
圖11 熱機輸出力矩及轉速的變化關係