大学物理演示实验.doc

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1、大学物理演示实验报告院系名称：勘察与测绘学院专业班级：资源1242姓名：王延平学号：1201431226斯特林热机演示实验试验目的：初步了解热机的工作原理以及热机正向和逆向循环工作的用途。实验原理：斯特林热机（StirlingEngine），是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。它由苏格兰牧师斯特林提出。斯特林热机采用封闭气体进行循环，工作气体可以是空气、氮气、氦气等。如图1所示，在热机封闭的气缸内充有一定容积的工作气体。汽缸一端为热腔，另一端为冷腔。置换器活塞推动工作气体在两个端之间来回运动，气体在低温冷腔中

2、被压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。如此循环不休，将热能转化为机械能，对外做功。理论上，斯特林热机的热效率很高，其效率接近理论最大效率（称为卡诺循环效率）。但二者又有所不同，前者由两个等温过程和两个等容过程构成，如图2所示。而后者由两个等温过程和两个绝热过程构成。斯特林热机属于可逆热机，既可用于制热，又可用于制冷；既可将热能®机械能，又可将机械能®热能。如果用于制冷，则图2中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。图2斯特林热机的四个循环过程图1斯特林热机下面结合循环图（图2）和活塞运动图（图3），来详细分析一下斯特林热机的四个循环过程。

3、一个装有两个对置活塞的气缸，在两个活塞之间设置一个回热器。可以把回热器设想成一块交替放热和吸热的热力海绵。回热器和活塞之间形成了两个空间。一个称为膨胀腔，使它保持高温Tmax；另一个称为压缩腔，使它保持低温Tmin。因此，在回热器两端有一个温度梯度Tmax-Tmin。假设回热器在纵向没有热传导，与卡诺循环情况一样，假设活塞在运动中无摩擦，工作气体在气缸中无泄露损失。循环开始时，设压缩腔活塞处于外止点，膨胀腔活塞处于内止点并紧靠回热器端面。这样，全部工作气体都处于冷的压缩腔内。因为此时的容积为最大值，所以工作气体的压力和温度都处于最小值，用图2和

4、图3中的点1表示。在压缩过程1~2，压缩腔活塞向内止点运动，膨胀腔活塞保持不动，工作气体在压缩腔内被压缩，压力增加。因为热量Qc已经通过压缩腔汽缸壁排放到环境中，故工作气体的温度保持不变。此过程中，工作物质等温冷却收缩，热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源。在回热过程2~3中，两个活塞同时运动，压缩活塞继续向回热器运动，而膨胀活塞远离回热器，因此两活塞间的容积保持不变。工作气体通过回热器从压缩腔转移到膨胀腔。当工作气体通过回热器时，被回热器中的热量加热，温度从Tmin上升到Tmax后流入膨胀腔。由于工作气体通过回热器时，是在等容条件

5、下被逐渐提高温度的，结果使压力增加。此过程中，工作物质等容吸热升温，热量从回热器传递给工作气体。在等温膨胀过程3~4中，膨胀腔活塞继续朝背离回热器的方向，向外止点运动，压缩腔活塞则停留在内止点并紧靠回热器。在膨胀过程中，容积增大，压力降低。由于从外热源向系统加入热量QE，工作气体温度保持不变。此过程中，工作物质等温吸热膨胀，热量在Tmax温度下从外部热源传递给工作气体。循环的最后一个过程4~1也是回热过程。在此期间，两活塞同时运动，保持容积不变，使工作气体从膨胀腔通过回热器返回到压缩腔。在通过回热器时，热量从工作气体传给回热器，工作气体温度降低

6、到Tmin并流入到压缩腔。工作气体在过程中释放出的热量将保存在回热器内，直到下一个循环中的2~3过程，再传递给工作气体。此过程中，工作物质等容冷却降温，热量从工作气体传递给回热器。图3活塞运动示意图总的来说，理想斯特林热机的热力学循环就是：1）1®2过程，工作物质等温冷却收缩。热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源。2）2®3过程，工作物质等容吸热升温。热量从回热器传递给工作气体。3）3®4过程，工作物质等温吸热膨胀。热量在Tmax温度下从外部热源传递给工作气体。4）4®1过程，工作物质等容冷却降温。热量从工作气体传递给回热器。实验步

7、骤：1.在烧杯中装入开水。2.将斯特林热机置于烧杯上，观察斯特林热机的运转。实验现象：斯特林热机开始转动。实验应用：斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。安培力演示实验试验目的：演示载流导线在磁场中的受力现象，以加深对安培力的理解。实验原理：载流导线在磁

8、场中受力称为安培力。载流线元dl在磁场中的受力为dF=IdlB一段导线受到的安培力为F=IdlB本实验在磁场中用一段作直导线载流导体，通电后用载流直导