自制热机能量转化演示仪

赵亚军 丁振瑞 丁文革 郝忠秀

(河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071002)

物理学是一门以实验为基础的科学，很多理论建立在实验的基础之上，热力学循环过程、热力学第二定律以及能量的转化与守恒定律都是物理教学中重要的基础理论.演示实验教学作为物理教学的重要手段具有不可替代的作用.但由于受场地和仪器大小等条件的限制，在课堂上没有合适的演示仪器对这些知识点进行演示实验教学，这给学生对理论的理解带来了一定的困难.

我们根据物理教学的实际需求，利用成本低廉的简易材料制作了小型热机能量转化演示仪，这套演示仪器可以方便的在课堂上使用，能够直观地演示多种物理现象.

1 演示仪的结构与原理

热机能量转化演示仪的结构如图1所示.整个实验装置可分为三部分：热源部分、热机主体部分、发电装置部分.

加热装置采用的是电加热方式，用电源开关可以方便的打开和关闭热源，对热机进行快速的加热，加热温度的高低也能有效地控制，实现了节省实验时间，简化实验操作，从而方便的在课堂教学中的使用.

热机主体采用了斯特林热机的结构.斯特林热机属于外燃式往复发动机，是19世纪苏格兰人R·斯特林发明的.它与内燃机的区别在于它是由外部热源对封闭的气体进行加热，气体推动活塞做往复运动并对外做功，因而可以直接利用多种形式的能源，比如固体燃料、气体燃料、工厂余热、地热、太阳能等均可以驱动这种热机.

热机的结构：吸热铝板、气室壁、动力活塞、动力气缸壁和散热铝板组成一个封闭的气室，气室内有一定量的空气.吸热铝板作为热机的热端，起到吸收热量的作用；散热铝板作为热机的冷端，起到散出余热的作用.在气室内有一个移气活塞，它的作用是移动气室内气体，使气体在冷热两端之间来回流动.

1.底座 2.加热器保温层 3.电加热丝 4.吸热铝板 5.气室壁 6.导线 7.线圈 8.磁铁 9.飞轮 10.支架 11.轴承 12.曲轴 13.动力活塞连杆 14.动力活塞 15.动力气缸壁 16.移气活塞连杆 17.发光二极管 18.移气活塞 19.散热铝板 20.气室内封闭的空气

图1 热机能量转化演示仪的结构图

当移气活塞处在气室内的上半部分时，气室内的空气大部分被排挤到气室的下半部分.由于热源的加热，气体吸热后体积膨胀，从而推动动力活塞对外界做功.与此相反，如果移气活塞处在气室的下半部分，气室内的空气大部分被排挤到气室的上半部分.由于散热铝板的冷却作用，气体放热后体积收缩，拉动动力活塞对外界做功.以上两种工作状态如图2所示.

图2 移气活塞的作用

动力活塞通过连杆与穿过支架的曲轴相连，这样就可以把动力活塞的上下运动转变为曲轴的转动.曲轴的中部也通过连杆与移气活塞相连，从而输出动力的一部分将带动移气活塞上下运动，实现前面所提到的移气活塞对气室内空气的转移作用.

连接移气活塞的曲轴部位与连接动力活塞的曲轴部位必须呈一个固定的角度差，一般情况这个角度为90°，如图3所示.这样的连接方式可以让动力活塞对曲轴产生最大的驱动力矩.

图3 曲轴结构示意图

为了能让热机持续的运转下去,还必须在曲轴上增加惯性装置.我们在演示仪曲轴的两端设置了两个飞轮，并且在每个飞轮的边缘上分别固定了六对扁圆形的强磁铁.如图4所示，磁铁可以用两两对吸的方法附着在飞轮圆盘的边缘上，这样可以方便的增减磁铁的数量和调整磁铁的位置.

图4 飞轮上磁铁的分布

在飞轮上放置的磁铁起到了三种作用：

(1)增加了飞轮的转动惯量，使飞轮更容易带动曲轴持续运转下去；

(2)调整磁铁的位置分布，可以使整个曲轴飞轮系统的重心处在转动轴线上，磁铁起到了配重的作用，整个系统能够更加平稳的转动；

(3)飞轮带动磁铁转动提供了变化的磁场，因此运动的磁铁又成为发电装置中的重要组成部分.

发电装置利用了电磁感应的原理，两个感应线圈与红色和蓝色两个发光二极管用导线相连组成一个闭合电路.由于发光二极管具有单向导电性，为了加强演示效果，可以采用图5所示方式对电路进行连接.

图5 发电装置电路示意图

当飞轮带动磁铁接近线圈时，根据电路可知红色发光二极管导通发光；当磁铁远离线圈时，蓝色发光二极管导通发光.因此当磁铁依次经过线圈旁边时，红蓝两个发光二极管将会交替闪烁发光.

2 演示仪的材料与制作

热机气室下端的吸热铝板和上端的散热铝板是用1 mm厚的铝板经过切割、钻孔加工而成.气室侧壁的材料是一段外径为12 cm的有机玻璃圆管.把有机玻璃管夹在两片铝板中间用螺丝加固并在接缝处打硅胶进行密封，这样就形成一个圆柱形的气室空间.移气活塞用聚苯乙烯泡沫板材料制成，它具有重量轻、绝热性好的特性，要在气室封闭之前将移气活塞放置在气室内.

考虑到动力活塞和气缸要满足气密性和低摩擦阻力的要求,我们截取一段的玻璃注射器来制作.为了将活塞的摩擦阻力降到最低,还要在活塞上涂上石墨粉末, 石墨可以用8B铅笔芯代替.将制作好的动力气缸用硅胶粘接在散热铝板的圆孔处与气室相连.

曲轴和连杆采用自行车辐条加工而成.曲轴支架用3 mm厚的有机玻璃板制成，使用角铝和螺丝把支架固定在散热铝板的两侧.在支架上安装小型的滚珠轴承支撑曲轴，可以降低曲轴转动时的摩擦阻力.

飞轮采用废旧光盘制成.光盘质量分布均匀但厚度较薄，将多片光盘叠加粘接在一起能够增加飞轮的厚度与质量.小磁铁最好是用钕铁硼材料的强磁铁，这样能使发电现象更加明显.

发电装置的感应线圈用细漆包线绕制而成，线圈分别固定在两个轴承支架的外侧，线圈中心位置要与飞轮下边缘的磁铁在同一高度上.用导线把线圈和发光二极管以图5所示电路图的方式连接在一起，发光二极管固定在散热铝板的边缘上，以便于观察.

加热器是用电热丝安装在耐热容器内制成，也可以用100 W白炽灯来代替电热丝作为热源.给加热器包裹石棉的绝热保温层可以充分利用热源的热以及避免烫伤操作者.

各部件组装完成后，演示仪的外观如图6所示.

图6 演示仪的外观

3 操作与演示

在使用演示仪器之前,要仔细调整飞轮上磁铁的位置分布,应使磁铁、飞轮、曲轴、连杆所构成系统的重心大致在飞轮的轴线上，避免系统出现明显的偏重.

打开电加热源的电源开关，加热装置开始对热机底部进行加热，大约经过半分钟左右的预热时间,热机的冷端和热端达到一定的温度差，此时用手轻轻拨动飞轮,给它一个启动力，随后可以观察到飞轮在动力活塞的驱动下转动起来.飞轮带动其上的磁铁一起转动，磁铁经过固定在支架上的线圈附近时发生电磁感应，这时可以观察到热机上的红色和蓝色两个发光二极管交替闪亮.

电加热装置开启一段时间后，当热机运转平稳时，可以提前关闭电源，这时热机还会利用热源的余热运转一段时间，注意不要让加热装置过热.如果有条件可在热机的散热铝板上放置冰块，用来增加热机冷热两端的温度差，使实验效果更加明显.

4 结束语

充分利用现有的实验条件和简单的加工工具,选取低成本、便于加工的材料完成了演示仪的设计与制作.与市场上价格昂贵的热机演示仪相比，不但节约了资金，还通过结构上的创新拓展了仪器的演示功能.

这台热机能量转化演示仪使用方便、操作简单、现象明显，能够对物理学中热机循环过程、热力学第二定律、能量的转化等物理知识进行形象的演示，它可以加深学生对物理理论的理解，增强学生学习物理知识的兴趣.

参考文献

1 路峻岭. 物理演示实验教程. 北京：清华大学出版社,2005.366～372

2 李椿,章立源,钱尚武.热学. 北京：高等教育出版社,1999.201～224

3 李丰,陈鸿伟.斯特林发动机在能源利用领域的应用. 能源研究与应用，2006(4)：30-32