热机实验95 热机实验

热机实验1821年，德国物理学家托马斯约翰塞贝克发现，当给连接在一起的不同金属加热时，就会产生电流，这一现象被称为塞贝克效应，这也是热电偶的基本原理。之后，在1834年，法国物理学家让查尔斯帕尔帖发现了塞贝克效应的逆效应，根据电流的流向，连接在一起的金属会吸热或放热。这种热电转换器被称为帕尔帖元件。本热效率实验仪是以帕尔帖元件为核心构建的。 图1 帕尔帖元件内部结构帕尔帖元件是由P型和N型半导体构成，如图1所示。当P-N对的两端存在温度差时，N型半导体中的电子由热端向冷端扩散，使N型半导体的冷端带负电而热端带正电；同时P型半导体中的空穴也由热端向冷端扩散，使P型半导体的冷端带正电而热端带负电，通过金属片将P型半导体和N型半导体的热端连接起来形成P-N对，则在P型半导体的冷端和N型半导体的冷端输出直流电压，将多个P-N对串联起来就可以得到较大的输出电压，从而实现“温差发电”， 如图2所示，这个输出电压可以对外界电阻等负载做功；当给帕尔帖元件通直流电流时，根据电流方向的不同，将在一端吸热，在另一端放热，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，从而实现冷端的“制冷”， 如图3所示，这种将能量由低温处传送到高温处的装置通常被称为热泵。 图2 发电过程 图3 制冷过程热机效率实验仪可以作为热机或热泵使用，当它作为一个热机使用时，从高温热源发出来的热量会使帕尔贴元件两端产生电压，这个电压可以驱动一个负载电阻来做功，在热机的实验中可以测出热机的实际效率并且可以将其与理论最大效率相比。当热效率实验仪作为一个热泵使用时，可以将热量从低温热源传递到高温热源时，在热泵的实验中可以测出热泵的实际制冷系数并和理论上的制冷系数比较。热机实验的实验仪器图4 所示，包括热机效率实验仪、工作电源和连接用的导线。 图4 实验仪器实验原理热机 热机通常被定义为将内能转化为机械能的装置。对于热效率实验仪来说，热机是是利用一个高温热源和一个低温热源的温差产生的电压来驱动一个负载电阻做功，做功最终产生的热量被负载电阻所消耗（焦耳热）。热机原理如图5所示，根据能量守恒定律（热力学第一定律）可以得出 其中 QH表示热机的热输入，W表示热机对外所做的功，QC表示向低温热源的排热量，上式表明热机的热输入等于热机所做的功加上向低温热源的排热量。图5 热机实际效率 热机的效率被定义为 如果把所有的热输入转换成有用功，热机的效率就会为1，因此它的效率总是小于1的。 注意：用热机效率实验仪测量热机的效率，实际上测量的是功率而不是能量。由，方程两边同时对时间求导就变成了，因此热机的效率也可以被表示为。卡诺效率卡诺指出，热机的最大效率仅与热源的温度差有关，而与热机的型号无关。上式中温度必须为开氏温度。效率能够达到100%的热机只是运作在TH和绝对零度之间的热机。假设没有由于摩擦、热传导，热辐射、以及装置内部电阻的焦耳热量而引起的能量损失，卡诺效率是对于给定的两个温度下热机所能达到的最高效率。热泵（制冷机） 热泵是热机的逆向运行。作为热泵工作时，是将热量从低温热源抽到高温热源。就像一个冰箱将热量从冷藏室抽到温室，或者像冬天里，将热量从寒冷的户外抽到到温暖的室内。热泵的原理如图6所示。注意：相比图5中的热量箭头是逆向的。能量守恒或者功率守恒图6 热泵实际制冷系数制冷系数是从低温热源抽出的热量与消耗的功率之比。 制冷系数的定义类似于热机效率，尽管热机效率总是小于1，但是制冷系数一般情况是大于1的。最大制冷系数热泵的最大制冷系数只取决于温度。这里的温度是指开尔文温度。实验测量能够通过热机效率实验仪直接测量的量有三个：温度、传递到热机的功率、负载电阻所消耗的功率。温度冷、热源的温度在仪器面板上直接显示出来。高温热源的功率（）高温热源是利用电流通过电阻使其保持在一个恒定的温度，由于加热器电阻随温度变化，所以必须测量电流和电压来获得输入功率，。负载电阻消耗的功率（）负载电阻消耗的功率通过测量已知负载电阻的电压求得： 注意：因为负载电阻随温度的变化不明显，所以我们可以使用来求出负载电阻的功率。内阻将负载电阻接入热机效率实验仪（按照图7接线），在有负载电阻的情况下，其等效电路如图8所示，根据由基尔霍夫定律，有式中Vs为开路电压，通过图9的接线方式来进行测量，r为热机内阻，R为负载电阻，I为负载电流。在带有负载的情况下，有，式中VW为负载两端的电压。可以得出热机的内阻为。 图7 有外加负载的热机图8 测量内阻等效电路 图9 无外加负载的热机实验1 热机效率的测量实验目的 测量热机的实际效率和卡诺效率 实验准备 用导线插接，将负载电阻设为6.3实验步骤 1、将直流稳压电源上电压调节旋钮向左（逆时针）旋至最小；电流调节旋钮向右（顺时针）旋至最大；2、将直流稳压电源输出接入热机效率实验仪上右端的“电源”插孔（注意极性，电源正极插入红孔，负极插入黑孔）；3、先打开热机效率实验仪的开关，再打开直流稳压电源开关，向右（顺时针）缓慢调节直流稳压电源的电压调节旋钮，将电压调至4.00V；4、等待冷端与热端平衡（5分钟），分别记录热端温度TH和冷端温度TC填入表中；5、从直流稳压电源上读出VH和IH，从仪器面板中间的电压窗口读出VW填入表中；6、重复3至5，电源电压从4.00V调至14.00V，每次增加2.00V，记录下6组数据。表1.1 数据表格R()TH(K)TC(K)T(K)VH/VIH/AVW/V6.36.36.36.36.36.3计算（表 1.2）（数据处理计算按照有效数字运算法则）1、计算与。 2、计算温差3、计算实际效率 4、计算卡诺效率5、开尔文温度 = 摄氏温度 + 273.2表1.2 计算值PH/WPW/Weactualecarnot分析及问题 为比较实际效率与卡诺效率，采用作图法在同一张图纸上作出 图与图，并比较。 注意：我们在此假定为定值或近似不变。 1. 卡诺效率是实际热机在给定温差下工作时的最大效率，图上的实际效率是否低于卡诺效率呢？ 2. 温差增加时，卡诺效率与实际效率是增加还是减少？ 3. 实际效率占理想效率一定比例，所以实际效率综合反映了使用可用能量的本领。你能算出本热机使用可用能量的本领吗？ 实验2 热机内阻的测量实验目的 确定热机的内阻。实验步骤1、按照无负载（开路）的情况连接电路；2、将电源接入热源供电，将电压调到15.00V；3、等待热平衡（5分钟），在仪器面板中间的电压窗口上读取开路电压Vs。4、保持输入电压不变，连接1.2电阻作负载，等待热平衡（5分钟）； 5、从仪器面板中间的电压窗口读取输出电阻两端的电压VW，并填入表中； 6、分别改变负载电阻为4.2、6.3、8.1、9.3、19.3，重复步骤4