学期：2013春；课程名：《综合设计与创新物理实验》；课序号：03；姓名：孙承啸；学号：2012141431080
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学期：2013春；课程名：《综合设计与创新物理实验》；课序号：03；姓名：孙承啸；学号：2012141431080
空气热机实验研究与汽车引擎的改造方案设想
孙承啸
（高分子科学与工程学院，2012141431080）
摘 要：本实验目的是验证卡诺定理，探讨出热机效率的影响因素，通过控制变量法得出结论：当热机负载保持不变时，随着热功率的增加，热端温度和温度差逐渐增高，热机转速逐渐增大，nA/ΔT与ΔT/ T1基本呈线性关系。同时受到实验启发，将空气热机利用在汽车引擎内，对散耗的热能进行利用，提升引擎工作效率。
关键词：空气热机；卡诺定理；热机效率；汽车引擎
Experimental Study on Air Engine and Reconstruction Scheme of
Automobile Engine
Sun Chengxiao
（Polymer Science and Engineering Academy，2012141431080）
Abstract: the experimental verification of the Kano theorem, discuss factors affecting the thermal efficiency, at the same time by experiment inspired, will air engine used in automobile engine, make use of heat energy consumption, improve engine efficiency.
Key Words：Air Engine；Carnot theorem；efficiency of heat engine；Automobile Engine
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。
正文：
实验前
结合实验仪器和说明书预习实验，熟悉仪器性能与操作流程，了解空气热机的工作原理，查询与卡诺定理相关的资料。
一、 实验仪器材料介绍
1.电加热型热机试验仪如图1所示
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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（见图2）
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器的电流或电压；
4－电压输出旋钮：可以根据加热需要调节电源的输出电压，调节范围为“24V~36V”，共分做11档；
5－电压输出“－”接线柱：加热器的加热电压的负端接口；
6－电压输出“＋”接线柱：加热器的加热电压的正端接口；
7－电流电压切换按键：按下显示表显示电流，弹出显示表显示电压；
8－电源开关按键：打开和关闭仪器。
3.空气热机测试仪
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空气热机测试仪分为微机型和智能型两种型号。微机型测试仪可以通过串口和计算机通讯，并配有热机软件，可以通过该软件在计算机上显示并读取P-V图面积等参数和观测热机波形；智能型测试仪不能和计算机通讯，只能用示波器观测热机波形。
测试仪前面板简介（见图3）
1－T1指示灯：该灯亮表示当前的显示数值为热源端绝对温度；
2－ΔT指示灯：该灯亮表示当前显示数值为热源端和冷源端绝对温度差；
3－转速显示：显示热机的实时转速，单位为“转/每秒（n/s）”；
4－T1 /ΔT显示：可以根据需要显示热源端绝对温度或冷热两端绝对温度差，单位“开尔文（K）”；
5－T2显示：显示冷源端的绝对温度值，单位“开尔文（K）”；
6－T1 /ΔT显示切换按键：按键通常为弹出状态，表示4中显示的数值为热源端绝对温度
T1，同时T1指示灯亮。当按键按下后显示为冷热端绝对温度差ΔT，同时ΔT指示灯亮； 7－通信接口：使用1394线热机通信器相连，再用USB线将通信器和计算机USB接口相连。
如此可以通过热机软件观测热机运转参数和热机波形（仅适用于微机型）；
8－示波器压力接口：通过Q9线和示波器Y通道连接，可以观测压力信号波形；
9－示波器体积接口：通过Q9线和示波器X通道连接，可以观测体积信号波形；
10－压力信号输入口（四芯）：用四芯连接线和热机相应的接口相连，输入压力信号； 11－T1 / T2输入口（五芯）：用六芯连接线和热机相应的接口相连，输入T1 / T2温度信号；
12－转速/转角信号输入口（五芯）：用五芯连接线和热机相应的接口相连，输入转速/转角信号；
二、实验步骤
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1、测量不同冷热端温度时的热工转换值 ① 确认仪器连接正确，打开电源。
② 将加热电压加到第11档，等待几分钟，加热电阻丝发红后，冷热端温差达到100K，用手顺时针拨动飞轮，热机运转。 ③ 将加热电压降至1档，调节示波器，将P-V图像调节至最佳位置。 ④ 待温度和转速稳定后，记录一组数据，并估读出P-V图像面积。T1 ⑤ 逐步加大功率，重复测量4组数据。
表1 测量不同冷热端温度时的热功转换值
⑥ 在坐标纸上作nA/△T与△T/T1的关系图，验证卡诺定理
图4 测量不同冷热端温度是热功转换值
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。
以n为横坐标，Po为纵坐标，在坐标纸上作Po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。
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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Pi=VI=162.24
图4 输出功率随负载及转速的变化关系
2、实验结论： 表1、2 结论
当热机负载保持不变时，随着热功率的增加，热端温度和温度差逐渐增高，热机转速逐渐增大，nA/ΔT与ΔT/ T1基本呈线性关系，即验证了卡诺定理。 表3、4 结论
当热机带负载时，在热功率保持不变的情况下，随着摩擦力矩的逐渐增大（即热机向负载输出的功率逐渐增大），热机转速逐渐减小，热端温度和温度差逐渐增高，热机实际输出功率的大小首先随负载的加大而增大，之后曲线出现一个拐点，即最佳配点，当过了那点之后，热机实际输出功率的大小呈减小的趋势。
3、由本实验获得的启发：经计算，本实验空气热机效率极低，有大量能量以热能形式散失。如果将热机应用到汽车引擎中，把引擎散失的热能回收利用，转换成机械能或电能为汽车提供一小部分动力。
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图4 汽车引擎气缸示意图
方案 ：
空气热机的构造与汽车引擎内的气缸的构造很相似，因此，可以将空气热机应用到汽车引擎中，改装成空气热回收装置。
[2]经查阅资料，汽车引擎中气缸壁上部为120-370摄氏度，气缸壁下部低于150度，活
塞顶部为210-425度，活塞上部为105-315度，活塞裙部为95-205度，燃烧室最高，为
[3]2000-2500度。可利用空气热机将这些热量收集利用。
若将空气热机与气缸的凸轮轴连接，则可将空气热机所转换出的机械能为汽车提供动力。若将空气热机与发电机相连，则可将热能转化为电能储存起来。
参考文献：
[1]胡华，严子浚.不可逆卡诺热机的火用损率优化[J].厦门大学学报，19xx年11月，第37卷，第6期
[2]温新华.空气热回收装置的分类与应用[J].建筑节能，20xx年01期
[3]一汽马自达车主俱乐部论坛[EB/OL]. /forum.php?mod=viewthread&tid=347392. 20xx年8月17日 [1]
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第二篇：创新实验：热机
第五节 热机
一、教材分析
本节内容是九年级物理第十九章第五节内容。热机是通过做功的方式改变内能的一个重要示例，它的广泛应用使人类迈向了工业化社会，因此，本节内容是“内能”一节的应用和深化，由于现代生产、生活、科学技术的发展离不开汽车、飞机、火箭等现代工具，作为当代中学生了解它们的心脏——热机的构造和工作原理显得尤为重要。所以我认为本节的教学关键是如何创设情景，让学生从实际生活中提出问题，通过实验探究和多媒体演示，以最常见的热机——汽油机为载体，逐层深入地探讨热机的构造，工作原理。在学生了解和认识热机有关知识的基础上，引导学生进行适当的拓展和延伸，从生活走向物理，从物理走向社会，从而开发智力、培养能力、实现能力转移，在“学以致用”中，形成科学世界观。
二、教法
在处理本节课教学时会采用实验演示、多媒体教学与讲授法相结合的教学手段，用多媒体课件播放汽油机、柴油机工作原理，组织学生观看它们工作过程，自主思考、探究，教师根据学生探究情况进行引导，并在必要时帮助学生进行分析，力争使教学效果达到最佳。
三、教学设计思路
学生在之前已经学习了内能的相关知识，但利用内能做功的实际情况了解的并不是很清楚，而且汽油机、柴油机的工作过程比较复杂，学生更是难以理解。所以本课以讲解原理为主，重点在热机的工作过程上，本课通过多媒体课件播放，改变传统的以模型和挂图为主的讲解方式，动态展示热机的工作过程，教学中重点讲解四冲程汽油机的工作过程，最后对燃料的热值、热机的效率做简要讲解。
四、教学过程
1.新课导入
教师和学生一起回顾复习改变内能的2种方式，根据“内能对外做功，实现能量转化”的物理规律，通过演示实验引入热机的概念。
2.新课教学
1）播放课件，组织学生一起进行动态观察、探究分析而后教师讲授内燃机，讲明是根据气缸内燃料的不同将其分为汽油机和柴油机。介绍汽油机的构造和一个冲程的概念，目的是使学生在观察动画时能更清楚的了解吸气、压缩、做功、排气四个冲程中各部分构造的运动情况。 这一环节的教法原则是，把握好学生
自主观察、思考分析，师生共同探究讨论，适时调控时间，适时启发引导，形成既有学生自主学习、又有师生互动的教学活动。
2）多次播放四冲程汽油机的工作过程，提醒学生注意观察进气门、排气门的开关情况、活塞上下运动情况，演示结束后教师引导启发、鼓励学生大胆发言，描述一个工作循环的过程，并分析归纳出热机的工作原理，讨论以下问题：
（1）汽车在开动前，是如何使内燃机起动的？
（2）在四个冲程中，哪些冲程发生了能量转化？
（3）哪个冲程使汽车获得了动力？
结合这三个相关问题强调汽油机工作过程中的能量转化情况，了解汽油机的实际应用，以此强化学以致用的观点。 在这一过程中，我设计的问题，环环相扣，层层递进，以问题开路，引导学生带着问题观察、探究，组织学生相互讨论分析，提倡合作学习，在此基础上，请学生在全班发表意见，老师点评归纳出“活塞对气体做功，机械能转化为内能，气体推动活塞作功，内能转化为机械能”的知识要点。
3）热机的应用：多媒体播放摩托车、汽车、轮船行驶、飞机飞行、火箭发射的画面。简单介绍汽轮发动机、喷气发动机、火箭发动机等其它热机的工作原理及过程，让学生进一步感受物理学在生活中的作用，激发学生对科的技兴趣，明白科教兴国的道理，开拓视野，丰富情感
4）燃料的热值
播放课件展示人类所用能量的绝大部分是从燃料的燃烧中获得的。引导学生以小组为单位自主学习并讨论以下问题：
（1）相同质量的不同燃料，完全燃烧放出的热量是否相同？
（2）什么是热值、热值的公式以及单位。
结合这两个问题强调热值的物理意义，以及燃料完全燃烧的含义。
5）热机的效率
教师引导学生分析实际取暖的有关问题，使学生认识到燃料很难完全燃烧，而且放出的内能不能被完全利用，有效利用的只是其中一部分，把有效利用的热量与理想情况下放出的热量的比值称为炉子的效率，可以画出比例图，学生分析并理解炉子的效率是哪些部分之比．
学生讨论提高热机效率的方法和热机的发展对环境的影响，认识热机对文明发展进程的作用和科学技术的发展与进步对人类发展的影响，认识事物的两同
性。
五、创新实验的设计思想
通过该实验展示做功把内能转化机械能的过程，引导学生分析它所包含的物理知识：酒精燃烧放出热量，通过热传递将一部分内能传递给水，水的内能增加，温度逐渐升高直至沸腾，产生大量的水蒸气，水蒸气越来越多，试管内的气压越来越大，最后将橡皮塞推出试管口，就是水蒸气膨胀对橡皮塞做功。
这个实验虽然简单，却能用来启发学生：可以利用内能来做功。因为内能是物体内部的分子动能和势能的总和，内能是看不见摸不着的一种与机械能完全不同性质的能量。因此我们在教学的过程中只用口头来描述学生不容易理解的，所以我们在教学时要把理论联系实验来进行教学，那么怎么才能把抽象的理论联系到实验中来，而且让学生能够比较容易的掌握这个知识点呢？本实验就起到一个很好的引导作用，为本节要讲的热机埋下很好的伏笔。