热机循环

热机循环

热力发动机（热机）是指各种利用内能做功的机械，其原理是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。热机通常以气体作为工质（传递能量的媒介物质叫工质），利用气体受热膨胀对外做功。自热机出现以来，人们一直从实验和理论上研究其效率问题。大量研究工作一方面为提高热机效率指明了的方向，另一方面推动了热学理论的发展。

【实验目的】

（1）研究热机将热转换为功的过程和原理 （2）学会计算热机循环的效率 （3）探索提高热机循环效率的方法

【实验原理】

热机是依靠从热源吸收热量，向低温热源释放热量来工作一种的装置。其理论基础为：

(一) 理想气体方程式：PV=nRT ，将热力系统视为理想气体，再经热力过程变化时，将满足理想

气体方程式。 (二)

热力学第一定律：热力过程的变化，由能量守恒的推导，可得：

dU = dQ - dW 。dU 为系统内能变化，dQ 为加入系统的热能，dW 为系统对外界所做的功。 1. 内能函数U 为状态函数，故热力系统经一循环过程，末状态等于初状态，其内能相

同，故dU = 0。

2. dQ 为热力过程加入系统的热能，其值和变化的过程有关：

绝热过程：dQ = 0。

等压过程：dQ = nC p dT 。 定容过程：dQ = nC v dT 。

其中C p 、C v 分别为气体的定压比热及定容比热。若系统吸热，dQ 为正值；若排热，dQ 为负值。

3. dW 为热力系统在热力过程中对外界所做的功，其形式为：

dW = PdV ，dW 为微量变化的功，在这一完整过程种做功为??==PdV

dW W ，

即热力系统P-V 图曲线下面积。故： 等压过程：W = P?V = P(12

V V -)。

等温过程：1

2ln 2

1

V V nRT dV V nRT

PdV W

V V ==

=??。

若系统膨胀，W 为正值；若系统压缩，W 为负值。 (三)

热力学第二定律：热机在一热力循环过程中，要将能量全部转换为功，这是不可能的，讨论其能量转换的比例，定义热机的效率in

total Q W =

ε

，故热机的效率无法达到100%。

本实验利用两个等压过程，两个等温过程构成一个循环 (如图一) 。

图一

其热机循环的过程为：

A →

B ：等温压缩，在固定温度下(室温T L )，使压力由H L

P P →。此等温过

程，B

A

L V V nRT W ln

1-=。

B →

C ：等压膨胀，在固定压力(P H )下，温度由H L

T T →，此过程对外作功

为)(2

B C H V V P W -=，所加热为)(1L H P T T nC Q -=。

C →

D ：等温膨胀，在固定温度(T H )下，压力由H P 降为L P ，此过程作功为

D →A ：等压压缩，在固定压力(P L )下，温度由L H

T T →，构成一循环过程，

其作功为)(4D A L V V P W -=。

其所作总功4321W W W W W

+++=

)(ln )(ln

A D L C

D H B C H B A L V V P V V

nRT V V P V V nRT --+-+-=

加入热量R

V V P C T T nC Q Q B C H P

L H P in )

()(1-=-==

1)(11)()(--=

-

-=--=

γγ

γ

B C H B C H V P B C H P V V P V V P C C V V P C

其中V

P

C C =

γ，空气(双原子气体)之40.1=γ

故热机效率in

Q W =

ε

1

)()(ln )(ln ----+-+-=

γγ

B C H A D L C

D H B C H B A L V V P V V P V V

nRT V V P V V nRT 。

【实验仪器】

热机TD-8572、大支架ME-8735、200g 奥豪斯开槽配重砝码SE-8726、钻孔配重（10g 和20g ）648-06508、塑料容器740-183、拉线699-011、旋转运动传感器CI-6538、温度传感器CI-6505B 、压力传感器CI-6534A 。

【实验内容及步骤】

在本实验中，热机由一种中空的圆筒构成。当铝制空罐子侵入热水时，罐子中的空气开始膨胀，膨胀的空气推动活塞，活塞向上举起重物以此做功。当然，热机循环实验也可以将罐子侵入冷水中，以此来实现气压和圆筒中空气的体积回到实验开始的状态。 (一)计算机的安装

1. 将ScienceWorkshop750接口匣电源打开，再开计算机主机。

2. 将温度、压强及滑轮转动感应器接到正确的插口，如图二所示。

3. 启动计算机桌面上DataStudio 软件，在弹出的对话框中选择第二个选项进入“实验设置”页

面，点击SW 图标，分别对孔1、2、A 、B 和C 在选项框中选择正确的输入，具体按照图二接口的标注。

图二 Science Workshop750接口闸和窗口接口模拟图

图三 热机装置

(二)仪器的安装和使用

总的实验过程分为四步，（1）B A →

:把200g 重物放置于平台上；（2）C B →:

把铝制空气罐子从冷水移动到热水中；（3）D C →:把200g 重物从平台上移开；（4）A D →: 把罐子从热水移动到冷水中。下面详细介绍整个实验过程。

1. 各准备大约20℃冷水及80℃热水，约至容器的四分之三。

2. 将活塞调至刻度20ml 左右，再将右边的插孔接上压力感应器。

3. 活塞仪左边的插孔接上铝制罐子，并将其放入20℃的冷水中，此时温度感应器也一并放在冷水中，同时按下电脑上的“启动”键，迅速把200g 砝码放在活塞仪上。

4. 等到活塞不再移动后，迅速将铝制空气室移至80℃的热水中。

5. 待活塞停止上升后，移走其上所有的砝码。

6. 再次等待活塞停止上升，再迅速将铝制空气室移至22℃的冷水中。

7. 直到活塞不再下降，按下电脑上的“停止”键，实验结束，至左下角“显示”窗口中读取所得的数据。“显示”中选择“图表”，选择“压力通道”，出现压力（纵轴）和时间（横轴）的关系图，左键点击横轴的时间，选择体积“V=pi*r*r*x*100”,这时出现P-V 图。

8. 绘出的P-V 图，显示出整个循环过程。计算循环路径所包围的面积(即热机循环对外所作的功)，并和理论值比较。

9.计算出本热机的效率，并与理想热机效率H

L

T T -

=1ε比较。

（三）实验结束后进行以下操作：

1. 将循环图表打印出来。在图表的四个角上面标明A,B,C 和D 。确定A,B,C,D 点的温度。在图表上标注箭头以此显示出循环过程的方向。

2. 确定A-B,B-C,C-D,D-A 这四个过程属于哪种类型（例如：等温）,确定这些过程中有哪些物理过程（例如：放上重物，放入热水中）。

3. 确定并且标注哪两个过程中气体热能增加。

4. 在B-C 过程中气体等温膨胀，气体从热源吸热，计算此过程中气体热量增加Q H ，然后计算以下参数：

a)

我们不知道初始体积V ，但我们可以根据测量罐子的体积和圆筒里面初始空气的体积从而计算出

V ，当然塑料管中的体积是被忽略的。

cylinder o can Ah h r V )()(2+=π

这里A 是活塞的横截面积。

用等压条件下理想气体定律D D

A A T V T V =来计算V D 。 b) 用等温条件下理想气体定律计算V C ：P C V C =P D V D 。

c)

计算Q C →D 。在等温条件下，Q = nRT ln(V f /V i )，因为PV = nRT, 所以Q C→D = P D V D ln (V D /V C )，

绝对压强P=P 仪表 + P 大气。

d) 计算Q B →C ，在等压条件下，Q = nCp ?T ，并且因为空气为二原子分子气体，Cp = 5/2 R, nR =

PV/T ,)(27D C D

D

D C

B T T T V P Q -=

→。

e) 计算Q H = Q B →C + Q C →D 。

5．根据测量到曲线内的面积来计算气体所做的功。

6. 计算效率%100x Q W

e H

=

。

【注意事项】

（1）配重砝码为200g ，禁止超重。

（2）旋转运动传感器、温度传感器和低压传感器均为精密电子仪器，禁止对其碰撞。 （3）铝制空罐子在冷热水中转换时，动作要迅速，以免外界对其影响，引入实验误差。

【思考题】

（1）经过热机做功A→B→C→D→A循环后，理论上会回到A点，但实验的结果并没有回到A点，试着讨论其原因并提出改善的方法。

（2）热机在循环过程中，如果其效率e=1，并不违反热力学第一定律，但为什么实际做不到？

（3）若B-C的循环步骤温度差异愈大，将对整个实验有何影响？试讨论之。

（4）如何提高热机的效率？

热机循环-讲稿

热机循环 热力发动机（热机）是指各种利用内能做功的机械，其原理是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。热机通常以气体作为工质（传递能量的媒介物质叫工质），利用气体受热膨胀对外做功。自热机出现以来，人们一直从实验和理论上研究其效率问题。大量研究工作一方面为提高热机效率指明了的方向，另一方面推动了热学理论的发展。 【实验目的】 （1）研究热机将热转换为功的过程和原理 （2）学会计算热机循环的效率 （3）探索提高热机循环效率的方法 【实验原理】 热机是依靠从热源吸收热量，向低温热源释放热量来工作一种的装置。其理论基础为： (一) 理想气体方程式：PV=nRT ，将热力系统视为理想气体，再经热力过程变化时，将满足理想 气体方程式。 (二) 热力学第一定律：热力过程的变化，由能量守恒的推导，可得： dU = dQ - dW 。dU 为系统内能变化，dQ 为加入系统的热能，dW 为系统对外界所做的功。 1. 内能函数U 为状态函数，故热力系统经一循环过程，末状态等于初状态，其内能相 同，故dU = 0。 2. dQ 为热力过程加入系统的热能，其值和变化的过程有关： 绝热过程：dQ = 0。 等压过程：dQ = nC p dT 。 定容过程：dQ = nC v dT 。 其中C p 、C v 分别为气体的定压比热及定容比热。若系统吸热，dQ 为正值；若排热，dQ 为负值。 3. dW 为热力系统在热力过程中对外界所做的功，其形式为： dW = PdV ，dW 为微量变化的功，在这一完整过程种做功为??==PdV dW W ， 即热力系统P-V 图曲线下面积。故： 等压过程：W = P?V = P(12 V V -)。 等温过程：1 2ln 2 1 V V nRT dV V nRT PdV W V V == =??。

热机知识点总结

5.5热机 1、热机：燃料燃烧时，将储存的化学能转化为蒸汽或燃气的内能， 各种将蒸汽或燃气的内能转化为机械能的发动机统称为热机。 2、内燃机：与蒸汽机不同的是内燃机的燃料在内燃机的气缸内直 接燃烧，产生高温高压燃气推动活塞做功。 3、四冲程：汽油机工作时，活塞在气缸内做一次单向运动称为一 个冲程。它的一次工作全过程包括四个冲程： （1）、吸气冲程：活塞向下运动，进气阀门开启，空气和汽油的混合气体进入气缸。 （2）、压缩冲程：两个阀门都关闭。活塞向上运动，将混合气体压缩至原来体积 的8 1左右。机械能转化为内能 （3）、做功冲程：气缸顶端的电火花塞通电点火，混合气体爆发性燃烧，高温高压气体向下推动活塞做功。在此过程中，燃气的内能部分转化为机械能 （4）、排气冲程：活塞向上运动，排气阀开启，废气被排出气缸。 以上四个冲程除了做功冲程外，其余三个冲程中，活塞均靠旋转飞轮（惯性）带动曲轴连杆而运动。 四个冲程组合起来叫做一个工作循环。在此过程中，活塞往返两次，曲轴连杆转动两圈。 4、汽油机和柴油机的比较： 汽油机 柴油机 不 同 点 构造： 顶部有一个火花塞。 顶部有一个喷油嘴。 吸气冲程 吸入汽油与空气的混合气体 吸入空气 点燃方式 点燃式 压燃式 效率 低 高 应用 小型汽车、摩托车 载重汽车、大型拖拉机

柴油机与汽油机的不同：吸气冲程只有空气通过进气阀进入气缸。压缩冲程中活塞将空气压缩至原来体积的16 1左右，使空气压强增加，从而使温度升高至柴油燃点。此时，喷油嘴喷出雾状柴油，达到燃点的柴油立即燃烧，使气缸内的气体压强大大增加，从而有力地推动活塞对外做功。同时它们还存在点火方式的不同点。汽油机的点火方式叫点燃式，柴油机的点火方式叫压缩式。 5、汽轮发动机：汽轮发动机包括蒸汽轮机和燃气轮机。它们通过高温高压的水蒸气或燃烧燃料所产生的燃气推动一系列涡轮叶片旋转，从而带动发电机或其他大型机械工作。 6、喷气发动机：喷气发动机的工作过程可归纳为：进气、压缩、燃烧、排气。喷气式飞机靠喷气发动机提供的动力飞行。 7、燃料的热值：一千克的某种燃料完全燃烧释放出的内能叫做这种燃料的热值。

初二物理—热机

初二物理—热机 知识精解 一、汽油机： ⒈构造：进气门、排气门、气缸、火花塞、曲轴、连杆等． ⒉工作原理：在气缸内燃烧汽油，生成高温高压的燃气〔化学能→内能〕，使燃气推动活塞做功〔内能→机械能〕． ⒊冲程：活塞在往复运动中从气缸一端运动到另一端叫做一个冲程． ⒋工作过程： ⑴多数汽油机是由吸气、压缩、做功〔燃烧—膨胀做功〕和排气冲程的不断循环来保证连续工作的． ⑵吸气冲程：吸入汽油和空气组成的燃料混合物． (3)压缩冲程：燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高．⑶做功冲程：在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动． ⑷活塞向上运动，将废气排出气缸． ⒌工作过程中能量的转化：①压缩冲程：机械能→内能；②做功冲程：先是化学能→内能，再由内能→机械能． ⒍汽油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，期货三个冲程要靠飞轮的惯性来完成．在开始运转时，要靠外力先使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，以后，汽油机才能自己工作． ⒎特点与应用： ⑴特点：轻巧． ⑵汽车、飞机和小型农业机械（如插秧机、机动喷雾器）． 二、柴油机： ⒈构造：与汽油机相似，区别在于柴油机顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴． ⒉工作原理：与汽油机相同． ⒊工作过程：与汽油机相似． 区别：①在吸气冲程里吸进气缸的只有空气，而汽油机吸进的是汽油和空气的混合物；②在压缩冲程里，活塞把空气的体积压缩得很小，空气的压强更大，温度更高；③点火方式：柴油机—压燃式；汽油机—点燃式． 2压缩 4排气 3做功 1吸气

图 1 ⒋柴油机启动时也要靠外力使飞轮和曲轴转动起来． ⒌特点与应用： 特点：柴油比汽油便宜，但柴油机比较笨重． 应用：载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船以及发电机． 经典例题 【例1】汽油机的一个工作循环是由________个冲程组成，其中对外做功________次．在压缩冲程中，气体的温度升高，这是通过________的方式增加内能．为了不让汽油机在工作时温度升得太高，在设计制造时，汽缸外有一个水套，让汽缸被水包围着，这是通过____________的方式减少汽缸内能．用水来冷却汽缸是因为水的________较大． ★解析 【例2】下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况.关于对图中①②③④的补充正确的是( ) A ．①做功冲程 ②内能转化为机械能 ③压缩冲程 ④机械能转 化为内能B ．①压缩冲程 ②内能转化为机械能 ③做功冲程 ④机械能转化为内能 C ．①做功冲程 ②机械能转化为内能 ③压缩冲程 ④内能转化为机械能 D ．①压缩冲程 ②机械能转化为内能 ③做功冲程 ④内能转化为机械能 【例3】摩托车上的热机工作时提供动力的冲程是( ) A ． 吸气冲程 B ．压缩冲程 C ．做功冲程 D ．排气冲程 B ． 【例4】下图表示四冲程内燃机工作时各冲程的示意图，它们正确的排列顺序为( ) A ．甲、乙、丙、丁 B ．丁、丙、乙、甲 C ．甲、丙、乙、丁 D ．甲、丁、乙、丙 【例5】四冲程汽油机在工作过程中，将燃气的内能转化为机械能的冲 程是（ ） A 、吸气冲程 B 、压缩冲程 C 、做功冲程 D 、排气冲程 【例6】改变内能有不同的方式，图1（甲）是在一个配有活塞的厚壁 玻璃筒里放一小团蘸了乙醚的棉花，当迅速压下活塞时，可看见筒内 棉花燃烧起来。这是通过＿＿＿＿＿＿方式使玻璃筒内的空气＿＿＿ ＿＿＿增加，温度升高，达到棉花的燃点，使棉花燃烧。 图1（乙）是通过＿＿＿＿＿＿方式把试管里的水加热至沸腾。 【例7】四冲程内燃机工作时，依靠惯性使活塞向上运动完成的冲程是（ ） A.吸气和排气冲程 B.压缩和做功冲程 C.做功和排气冲程 D.压缩和排气冲程

循环过程、卡诺循环、热机效率

循环过程、卡诺循环、热机效率、致冷系数 15 15 15 10 一、 选择题 题号：20613001 分值：3分 难度系数等级：3 1. 一定量的理想气体，分别经历如图(1) 所示的 abc 过程，(图中虚线ac 为等温线)，和图(2) 所示的def 过程(图中虚线df 为绝热线)．判断这两种过 程是吸热还是放热． (A) abc 过程吸热，def 过程放热． (B) abc 过程放热，def 过程吸热． (C) abc 过程和def 过程都吸热． (D) abc 过程和def 过程都放热． ［ ］ 答案：A 题号：20612002 分值：3分 难度系数等级：2 2. 一定量的理想气体，从p －V 图上初态a 经历(1)或(2)过程到达末态b ，已知a 、b 两态处于同一条绝热线上(图中虚线是 绝热线)，则气体在 (A) (1)过程中吸热，(2) 过程中放热． (B) (1)过程中放热，(2) 过程中吸热． (C) 两种过程中都吸热． (D) 两种过程中都放热． ［ ］ 答案：B 题号：20612003 分值：3分 难度系数等级：2 3．一定量的某种理想气体起始温度为T ，体积为V ，该气体在下面循环过程中经过三个平衡过程：(1) 绝热膨胀到体积为2V ，(2)等体变化使温度恢复为T ，(3) 等温压缩到原来体积 V ，则此整个循环过程中 (A) 气体向外界放热 (B) 气体对外界作正功 (C) 气体内能增加 (D) 气体内能减少 ［ ］ 答案：A 题号：20613004 分值：3分 难度系数等级：3 V V

4. 一定质量的理想气体完成一循环过程。此过程在V －T 图中用图线1→2→3→1描写。该气体在循环过程中吸热、放热的情况是 (A) 在1→2，3→1过程吸热；在2→3过程放热． (B) 在2→3过程吸热；在1→2，3→1过程放热． (C) 在1→2过程吸热；在2→3，3→1过程放热． (D) 在 2→3，3→1过程吸热；在1→2过程放热． ［ ］ 答案：C 题号：20613005 分值：3分 难度系数等级：3 5.一定量理想气体经历的循环过程用V －T 曲线表示如图. 在此循环过程中，气体从外界吸热的过程是 (A) A →B ． (B) B →C ．(C) C →A ． (D) B →C 和C →A ． ［ ］ 答案：A 题号：20613006 分值：3分 难度系数等级：3 6. 两个卡诺热机的循环曲线如图所示，一个工作在温度为 T 1 与T 3的两个热源之间，另一个工作在温度为T 2 与T 3的 两个热源之间，已知这两个循环曲线所包围的面积相等．由 此可知： （A ） 两个热机的效率一定相等． （B ） 两个热机从高温热源所吸收的热量一定相等． （C ） 两个热机向低温热源所放出的热量一定相等． （D ） 两个热机吸收的热量与放出的热量（绝对值）的差 值一定相等． 答案：D [ ] 题号：20613007 分值：3分 难度系数等级：3