自制熱機能量轉化演示儀

趙亞軍 丁振瑞 丁文革 郝忠秀

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

物理學是一門以實驗為基礎的科學，很多理論建立在實驗的基礎之上，熱力學循環過程、熱力學第二定律以及能量的轉化與守恒定律都是物理教學中重要的基礎理論.演示實驗教學作為物理教學的重要手段具有不可替代的作用.但由于受場地和儀器大小等條件的限制，在課堂上沒有合適的演示儀器對這些知識點進行演示實驗教學，這給學生對理論的理解帶來了一定的困難.

我們根據物理教學的實際需求，利用成本低廉的簡易材料制作了小型熱機能量轉化演示儀，這套演示儀器可以方便的在課堂上使用，能夠直觀地演示多種物理現象.

1 演示儀的結構與原理

熱機能量轉化演示儀的結構如圖1所示.整個實驗裝置可分為三部分：熱源部分、熱機主體部分、發電裝置部分.

加熱裝置采用的是電加熱方式，用電源開關可以方便的打開和關閉熱源，對熱機進行快速的加熱，加熱溫度的高低也能有效地控制，實現了節省實驗時間，簡化實驗操作，從而方便的在課堂教學中的使用.

熱機主體采用了斯特林熱機的結構.斯特林熱機屬于外燃式往復發動機，是19世紀蘇格蘭人R·斯特林發明的.它與內燃機的區別在于它是由外部熱源對封閉的氣體進行加熱，氣體推動活塞做往復運動并對外做功，因而可以直接利用多種形式的能源，比如固體燃料、氣體燃料、工廠余熱、地熱、太陽能等均可以驅動這種熱機.

熱機的結構：吸熱鋁板、氣室壁、動力活塞、動力氣缸壁和散熱鋁板組成一個封閉的氣室，氣室內有一定量的空氣.吸熱鋁板作為熱機的熱端，起到吸收熱量的作用；散熱鋁板作為熱機的冷端，起到散出余熱的作用.在氣室內有一個移氣活塞，它的作用是移動氣室內氣體，使氣體在冷熱兩端之間來回流動.

1.底座 2.加熱器保溫層 3.電加熱絲 4.吸熱鋁板 5.氣室壁 6.導線 7.線圈 8.磁鐵 9.飛輪 10.支架 11.軸承 12.曲軸 13.動力活塞連桿 14.動力活塞 15.動力氣缸壁 16.移氣活塞連桿 17.發光二極管 18.移氣活塞 19.散熱鋁板 20.氣室內封閉的空氣

圖1 熱機能量轉化演示儀的結構圖

當移氣活塞處在氣室內的上半部分時，氣室內的空氣大部分被排擠到氣室的下半部分.由于熱源的加熱，氣體吸熱后體積膨脹，從而推動動力活塞對外界做功.與此相反，如果移氣活塞處在氣室的下半部分，氣室內的空氣大部分被排擠到氣室的上半部分.由于散熱鋁板的冷卻作用，氣體放熱后體積收縮，拉動動力活塞對外界做功.以上兩種工作狀態如圖2所示.

圖2 移氣活塞的作用

動力活塞通過連桿與穿過支架的曲軸相連，這樣就可以把動力活塞的上下運動轉變為曲軸的轉動.曲軸的中部也通過連桿與移氣活塞相連，從而輸出動力的一部分將帶動移氣活塞上下運動，實現前面所提到的移氣活塞對氣室內空氣的轉移作用.

連接移氣活塞的曲軸部位與連接動力活塞的曲軸部位必須呈一個固定的角度差，一般情況這個角度為90°，如圖3所示.這樣的連接方式可以讓動力活塞對曲軸產生最大的驅動力矩.

圖3 曲軸結構示意圖

為了能讓熱機持續的運轉下去,還必須在曲軸上增加慣性裝置.我們在演示儀曲軸的兩端設置了兩個飛輪，并且在每個飛輪的邊緣上分別固定了六對扁圓形的強磁鐵.如圖4所示，磁鐵可以用兩兩對吸的方法附著在飛輪圓盤的邊緣上，這樣可以方便的增減磁鐵的數量和調整磁鐵的位置.

圖4 飛輪上磁鐵的分布

在飛輪上放置的磁鐵起到了三種作用：

(1)增加了飛輪的轉動慣量，使飛輪更容易帶動曲軸持續運轉下去；

(2)調整磁鐵的位置分布，可以使整個曲軸飛輪系統的重心處在轉動軸線上，磁鐵起到了配重的作用，整個系統能夠更加平穩的轉動；

(3)飛輪帶動磁鐵轉動提供了變化的磁場，因此運動的磁鐵又成為發電裝置中的重要組成部分.

發電裝置利用了電磁感應的原理，兩個感應線圈與紅色和藍色兩個發光二極管用導線相連組成一個閉合電路.由于發光二極管具有單向導電性，為了加強演示效果，可以采用圖5所示方式對電路進行連接.

圖5 發電裝置電路示意圖

當飛輪帶動磁鐵接近線圈時，根據電路可知紅色發光二極管導通發光；當磁鐵遠離線圈時，藍色發光二極管導通發光.因此當磁鐵依次經過線圈旁邊時，紅藍兩個發光二極管將會交替閃爍發光.

2 演示儀的材料與制作

熱機氣室下端的吸熱鋁板和上端的散熱鋁板是用1 mm厚的鋁板經過切割、鉆孔加工而成.氣室側壁的材料是一段外徑為12 cm的有機玻璃圓管.把有機玻璃管夾在兩片鋁板中間用螺絲加固并在接縫處打硅膠進行密封，這樣就形成一個圓柱形的氣室空間.移氣活塞用聚苯乙烯泡沫板材料制成，它具有重量輕、絕熱性好的特性，要在氣室封閉之前將移氣活塞放置在氣室內.

考慮到動力活塞和氣缸要滿足氣密性和低摩擦阻力的要求,我們截取一段的玻璃注射器來制作.為了將活塞的摩擦阻力降到最低,還要在活塞上涂上石墨粉末, 石墨可以用8B鉛筆芯代替.將制作好的動力氣缸用硅膠粘接在散熱鋁板的圓孔處與氣室相連.

曲軸和連桿采用自行車輻條加工而成.曲軸支架用3 mm厚的有機玻璃板制成，使用角鋁和螺絲把支架固定在散熱鋁板的兩側.在支架上安裝小型的滾珠軸承支撐曲軸，可以降低曲軸轉動時的摩擦阻力.

飛輪采用廢舊光盤制成.光盤質量分布均勻但厚度較薄，將多片光盤疊加粘接在一起能夠增加飛輪的厚度與質量.小磁鐵最好是用釹鐵硼材料的強磁鐵，這樣能使發電現象更加明顯.

發電裝置的感應線圈用細漆包線繞制而成，線圈分別固定在兩個軸承支架的外側，線圈中心位置要與飛輪下邊緣的磁鐵在同一高度上.用導線把線圈和發光二極管以圖5所示電路圖的方式連接在一起，發光二極管固定在散熱鋁板的邊緣上，以便于觀察.

加熱器是用電熱絲安裝在耐熱容器內制成，也可以用100 W白熾燈來代替電熱絲作為熱源.給加熱器包裹石棉的絕熱保溫層可以充分利用熱源的熱以及避免燙傷操作者.

各部件組裝完成后，演示儀的外觀如圖6所示.

圖6 演示儀的外觀

3 操作與演示

在使用演示儀器之前,要仔細調整飛輪上磁鐵的位置分布,應使磁鐵、飛輪、曲軸、連桿所構成系統的重心大致在飛輪的軸線上，避免系統出現明顯的偏重.

打開電加熱源的電源開關，加熱裝置開始對熱機底部進行加熱，大約經過半分鐘左右的預熱時間,熱機的冷端和熱端達到一定的溫度差，此時用手輕輕撥動飛輪,給它一個啟動力，隨后可以觀察到飛輪在動力活塞的驅動下轉動起來.飛輪帶動其上的磁鐵一起轉動，磁鐵經過固定在支架上的線圈附近時發生電磁感應，這時可以觀察到熱機上的紅色和藍色兩個發光二極管交替閃亮.

電加熱裝置開啟一段時間后，當熱機運轉平穩時，可以提前關閉電源，這時熱機還會利用熱源的余熱運轉一段時間，注意不要讓加熱裝置過熱.如果有條件可在熱機的散熱鋁板上放置冰塊，用來增加熱機冷熱兩端的溫度差，使實驗效果更加明顯.

4 結束語

充分利用現有的實驗條件和簡單的加工工具,選取低成本、便于加工的材料完成了演示儀的設計與制作.與市場上價格昂貴的熱機演示儀相比，不但節約了資金，還通過結構上的創新拓展了儀器的演示功能.

這臺熱機能量轉化演示儀使用方便、操作簡單、現象明顯，能夠對物理學中熱機循環過程、熱力學第二定律、能量的轉化等物理知識進行形象的演示，它可以加深學生對物理理論的理解，增強學生學習物理知識的興趣.

參考文獻

1 路峻嶺. 物理演示實驗教程. 北京：清華大學出版社,2005.366～372

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

3 李豐,陳鴻偉.斯特林發動機在能源利用領域的應用. 能源研究與應用，2006(4)：30-32