换气式空气热机实验

路峻岭 秦联华

（清华大学物理系，北京 100084）

1 换气式热机结构

换气式空气热机的装置图如图1所示，其结构见图2.它的特点是单气缸单活塞，气缸由前后两部分组成，前部（照片中左部）由铝材制成，便于散热，为气缸的冷端；后部（照片中右部）由封口玻璃管制成，便于加热，为气缸的热端.其活塞的左侧通过连杆连接飞轮，活塞右侧连接一玻璃泡状活塞头，活塞头的作用是驱使工质在气缸腔内流动，活塞的侧边设置一通气口K.在飞轮和连杆准确处于上下止点位置时，通气口K通过气孔通道使气缸腔与外界连通以实现气体交换，偏离上下止点后气缸腔则处于封闭状态.用酒精灯加热气缸热端，启动飞轮后热机即可自持地沿启动方向工作[3].如何用物理原理来说明此热机的工作过程呢？

图1 换气式空气热机照片

图2 换气式空气热机结构及工作过程简图

2 换气式空气热机工作原理分析

本热机的核心结构——气缸和活塞如图2所示，其工作流程可据图2和图3自上而下依次说明[1-3].

图3 换气式空气热机工作过程简图

热机的循环从图2所示状态开始，当连杆飞轮经过且稍微偏离下止点位置时，活塞通气口K刚刚关闭，则此时封闭在气缸腔内的空气就是热机的工质，工质体积为气缸腔内体积的最小值，其压强等于外界大气压强.从此时刻开始，依次经历飞轮转过90°（图3之（1））再到达接近连杆飞轮上止点位置（图3之（2）但活塞通气口K尚未与外界连通）.在此过程中，由于活塞头的移动和占位作用，工质表现为从冷端流向热端，因此工质从外界吸热，同时活塞向前推动连杆飞轮对外做功，即工质进行的是吸热膨胀对外做功（压强增大）过程.

随飞轮转动，当连杆飞轮准确到达上止点位置（图3之（2））时，活塞通气口K与气孔通道连通，气缸腔内的工质向外界喷出，工质进行的是绝热膨胀过程（过程进行得很快来不及热交换），其温度降低压强减小，但该过程中体积膨胀并没有通过连杆飞轮对外做有用功.

随飞轮转动，当连杆飞轮刚刚偏离上止点位置时，通气口K则断开通道，此前绝热膨胀的工质被分为气缸腔内和气缸腔外两部分.两部分起初具有相同的压强（外界大气压强）和温度，腔内部分的体积为气缸腔内体积的最大值.之后，两部分工质各自按照自身环境进行状态变化.腔外部分（设想它仍旧保持为一团）作等压降温压缩，外界对它做功，它向外界散热，最后以一个较小的体积保持与外界等温等压.腔内部分则从此时刻开始，依次经历飞轮转过270°（图3之（3））再次到达接近连杆飞轮下止点位置（图3之（4）但活塞通气口K尚未与外界连通）.在此过程中，由于活塞头的移动和占位作用，工质表现为从热端流向冷端，因此工质在向外界散热，同时外界推动活塞对工质做功，即腔内工质进行的是散热降温体积收缩对外做负功压强减小的过程，此过程结束时其压强将大大小于外界大气压强.

随飞轮转动，当连杆飞轮准确到达下止点位置（图3之（4））时，活塞通气口K与气孔通道连通，由于气缸腔内压强低于大气压强，腔外工质迅即通过气孔通道注入腔内，它所经历的过程是等压膨胀升温过程；而腔内工质则受腔外工质注入的影响被绝热压缩，故腔内工质经历的过程为绝热压缩升温升压（至外界大气压）过程.最后，气缸腔内外工质融汇为一体，其气压等于外界大气压，温度高于外界温度.当随飞轮转动，连杆飞轮刚刚偏离下止点位置（图3之（4））时，活塞通气口K与气孔通道关闭，此时封闭在气缸腔内的工质就恢复到了初始状态.工质状态完成了一次循环.

要想把上述工质状态循环在p-V图上表示出来，首先必须把整体工质在p-V图的状态变化曲线与部分工质在p-V图的状态变化曲线的差异搞清楚.二者在p-V图上的等温线示于图4.

图4 整体和部分工质在p-V图的等温曲线的比较

从图中可见，如果坐标尺度不变，部分工质在p-V图的状态变化曲线相对于整体工质的状态变化曲线是按照部分在整体中所占的比例在横坐标（体积）方向进行压缩的，对应相同的压强各条等温线对应的体积值都按比例减小，即部分工质的等温线都有些左移.

因为在本实验中，部分工质（绝热膨胀（图3之（2））后气缸腔内外的工质）的状态变化都是在压强不大于外界大气压的情况下进行的，因此可以在一张p-V图上把热机的循环过程描述出来，只是在大于外界大气压的范围画出整体工质的等温曲线，在小于外界大气压的范围画出部分工质的等温曲线，见图5所示.为了表达清楚，特将外界大气压p0分为两道线，另一道表示整体工质p-V图上的大气压p0，一道表示部分工质p-V图上的大气压p0，实际上它们是一道线（一个值）；且将腔内外工质部分的等温线分开画出（实际上它们可能有交叉）.用温度T0表示外界的温度.图中A表示由图2所示，随飞轮转动当连杆飞轮刚刚偏离下止点位置时的状态.图中B表示由图3之（2）所示，当连杆飞轮刚好接近但尚未达到上止点位置时的状态.过程AB表示整体工质吸热做功体积膨胀且温度升向最高的过程.图中C表示由图3之（2）所示，当连杆飞轮刚好达到上止点位置气缸腔内的工质向外界完全喷出（膨胀到极值）时的状态.过程BC表示整体工质的绝热膨胀过程.图中D表示气缸腔内部分工质对应整体工质在C点时的状态；图中R表示气缸腔外部分工质对应整体工质在C点时的状态.图中E表示由图3之（4）所示，当连杆飞轮刚好接近但尚未达到下止点位置时的状态.过程DE表示腔内部分工质散热体积收缩且温度降向最低的过程.图中F表示由图3之（4）所示，当连杆飞轮刚好达到下止点位置气缸腔内的工质在腔外工作注入时被骤然压缩时的状态.过程EF表示腔内工质的绝热压缩过程.腔外部分工质的状态过程为：由R（温度为T3）经等压降温至S（温度为外界温度T0），再由S经等压膨胀至G（温度为T2）.G（腔外工质）和F（腔内工质）合在一起就是A（整体工质）.从定量关系看，C点的横坐标应该等于D、R横坐标之和；A点的横坐标应该等于G、F横坐标之和.热机经过一个循环，对外做功为AB线下的面积减去DE线下的面积所得之差[1，2].

图5 自换气式热机工质状态循环图

需要指出的是，图5所示的过程仅仅是对换气式热机的一种简化描述.因为，理论课上所讲授的理想的等温过程、等压过程或绝热过程在实际热机中严格说来是不存在的，用理想过程描述实际热机，都是抓主要矛盾，近似用理想过程来进行简化描述，以期对一物理过程有一个比较理性的基本正确的理解.本节所述即是这样.

3 结语

换气式空气热机是靠在活塞侧壁上设置通气孔，在连杆飞轮处于上下止点时通气孔接通气缸腔使它与外界进行气体交换的一种热机.它的高低温热源皆不能用单一温度的热源来表示.由于热机对外做功环节是整体工质所完成的，而外界对热机做功环节是对缸内部分工质所进行的，因此在一个循环中工质对外界所做的净功比较多，故这种热机比较易于实现自持工作.

[1]赵凯华，罗蔚茵.新概念物理学教程热学[M].北京：高等教育出版社，1998：135-169.

[2]张三慧.大学物理（第二册）热学[M].2版.北京：清华大学出版社，1999：100-137.

[3]天津启星动力科技有限公司产品说明书，可见：www.5iMX.com