热机效率实验讲义.pdf

热机效率综合实验仪 引 言 热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 热源发出来的热量通过电流流过一个负载电阻来做功，可以测出热机的实际效率 而且可以与理论最大效率相比。当它作为一个热泵时，将热量从低温热源传递到 高温热源时，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。 1821年，德国物理学家托马斯•约翰·•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•珀尔帖发现塞贝克效应的逆效 应，根据电流的流向，连接在一起的金属会引起吸热或放热。这种热电转换器被 称为珀尔帖片。本热效率实验仪是以珀尔帖片为核心构建的。 图a 帕尔帖内部结构 P N a P-N 帕尔帖片是由 型和 型半导体构成，如图 。当 对的两端存在温度差 N N 时， 型半导体中的电子由热端向冷端扩散，使 型半导体的冷端带负电而热 P P 端带正电；同时 型半导体中的空穴也由热端向冷端扩散，使 型半导体的冷 P N 端带正电而热端带负电，通过金属片将 型半导体和 型半导体的热端连接起 P-N P N 来形成 对，则在 型半导体的冷端和 型半导体的冷端输出直流电压，将 P-N “ ” b 多个 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 。 当给帕尔帖片通直流电流时，根据电流方向的不同，将在一端吸热，在另一端放 “ ” 热，从而实现 制冷 。 图b 发电过程 图c 制冷过程 帕尔帖片虽然效率低，但可靠性高，不需要循环流体或移动部件。典型的应 用如卫星电源和远程无人气象站等。 实验原理 热机 热机是利用一个高温热源和一个低温热源的温差来做功。对于热效率实验 仪，热机是利用电流通过一个负载电阻来做功，做功最终产生的热量，被负载电 阻所消耗 （焦耳热）。 1 热机原理如图 所示，根据能量守恒定律 （热力学第一定律）得出 QH WQC 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1 热机 实际效率 W 热机的效率定义为e QH 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：用热机效率仪测量热量转化率，测量的是功率而不是能量。由 P P dQ /dt ，方程QH WQC 变成P P P ，效率为e W 。 H H H W C P H 卡诺效率