斯特林热机演示实验
实验类型：热学
2010年6月
【实验目的】
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了解斯特林热机的现象及其原理。
【实验仪器】
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图1 斯特林热机
在该装置中有两个活塞：
1． 动力活塞：这是发动机上方较小的活塞。 它是紧封闭的。当发动机内的气体膨胀时，
动力活塞会向上运动。
2． 置换器活塞：这是装置中较大的活塞。它在气缸中非常自由，因此随着其上下运动，
空气很容易在加热式或冷却式气缸之间流动。
置换器活塞通过上下运动来控制是对发动机中的气体进行加热还是冷却。 它有两个位置： 当置换器活塞靠近大气缸的上方时，发动机内的大部分气体由热源加热，然后开始膨胀。 发动机内产生的压力会强制动力活塞向上运动。 当置换器活塞靠近大气缸的底部时，发动机内的大部分气体开始冷却收缩。 这会导致压力下降，从而使动力活塞向下运动，对气体进行压缩。 发动机会反复对气体进行加热和冷却，以便从气体的膨胀和收缩中吸取能量。
【实验现象】
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1. 在烧杯中装入开水。
2. 将斯特林热机置于烧杯上，观察斯特林热机的运转。
【实验原理分析】
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斯特林热机（Stirling Engine），是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。它由苏格兰牧师斯特林提出。
斯特林热机在十九世纪初被发明，目前已经发展为上百种不同的机械结构。斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。
斯特林热机采用封闭气体进行循环，工作气体可以是空气、氮气、氦气等。如图1所示，在热机封闭的气缸内充有一定容积的工作气体。汽缸一端为热腔，另一端为冷腔。置换器活塞推动工作气体在两个端之间来回运动，气体在低温冷腔中被压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。如此循环不休，将热能转化为机械能，对外做功。
理论上，斯特林热机的热效率很高，其效率接近理论最大效率（称为卡诺循环效
率）。但二者又有所不同，前者由两个等温过程和两个等容过程构成，如图2所示。而后者由两个等温过程和两个绝热过程构成。
斯特林热机属于可逆热机，既可用于制热，又可用于制冷；既可将热能→机械能，又可将机械能→热能。如果用于制冷，则图2中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。
图2 斯特林热机的四个循环过程
下面结合循环图（图2）和活塞运动图（图3），来详细分析一下斯特林热机的四个循环过程。
一个装有两个对置活塞的气缸，在两个活塞之间设置一个回热器。可以把回热器设想成一块交替放热和吸热的热力海绵。回热器和活塞之间形成了两个空间。一个称为膨胀腔，使它保持高温Tmax ；另一个称为压缩腔，使它保持低温Tmin 。因此，在回热器两端有一个温度梯度Tmax-Tmin 。假设回热器在纵向没有热传导，与卡诺循环情况一样，假设活塞在运动中无摩擦，工作气体在气缸中无泄露损失。
循环开始时，设压缩腔活塞处于外止点，膨胀腔活塞处于内止点并紧靠回热器端面。这样，全部工作气体都处于冷的压缩腔内。因为此时的容积为最大值，所以工作气体的压力和温度都处于最小值，用图2和图3中的点1表示。
在压缩过程1~2，压缩腔活塞向内止点运动，膨胀腔活塞保持不动，工作气体在压缩腔内被压缩，压力增加。因为热量Qc 已经通过压缩腔汽缸壁排放到环境中，故工作气体的温度保持不变。此过程中，工作物质等温冷却收缩，热量在Tmin 温度下从工作气体传递给外部低温热源。
在回热过程2~3中，两个活塞同时运动，压缩活塞继续向回热器运动，而膨胀活塞远离回热器，因此两活塞间的容积保持不变。工作气体通过回热器从压缩腔转移到膨胀腔。当工作气体通过回热器时，被回热器中的热量加热，温度从Tmin 上升到Tmax 后流入膨胀腔。由于工作气体通过回热器时，是在等容条件下被逐渐提高温度的，结果使压力增加。此过程中，工作物质等容吸热升温，热量从回热器传递给工作气体。
在等温膨胀过程3~4中，膨胀腔活塞继续朝背离回热器的方向，向外止点运动，压缩腔活塞则停留在内止点并紧靠回热器。在膨胀过程中，容积增大，压力降低。由于从外热源向系统加入热量QE ，工作气体温度保持不变。此过程中，工作物质等温吸热膨胀，热量在Tmax 温度下从外部热源传递给工作气体。
循环的最后一个过程4~1也是回热过程。在此期间，两活塞同时运动，保持容积不变，使工作气体从膨胀腔通过回热器返回到压缩腔。在通过回热器时，热量从工作气体传给回热器，工作气体温度降低到Tmin 并流入到压缩腔。工作气体在过程中释放出的热量将保存在回热器内，直到下一个循环中的2~3过程，再传递给工作气体。此过程中，工作物质等容冷却降温，热量从工作气体传递给回热器。
图3 活塞运动示意图
总的来说，理想斯特林热机的热力学循环就是：
1） 1 2过程，工作物质等温冷却收缩。热量在Tmin 温度下从工作气体传递给外部低温
热源。
2） 2→3过程，工作物质等容吸热升温。热量从回热器传递给工作气体。
3） 3→4过程，工作物质等温吸热膨胀。热量在Tmax 温度下从外部热源传递给工作气
体。
4） 4→1过程，工作物质等容冷却降温。热量从工作气体传递给回热器。
由图2中的P-V 图可见，经过以上循环过程，发动机会反复对气体进行加热和冷却，以便从气体的膨胀和收缩中吸取热量，产生机械能，对外做功。
如果在过程2~3中的传热量与过程4~1中的相等，则发动机与其环境之间发生的热交换仅仅是3→4过程中的供热和1→2过程中的放热。供热和放热都是在等温条件下进行，因此满足了热力学第二定律对最高热效率的要求，所以斯特林循环的热效率与卡诺循环相同，即η=(T max -T min) /T max 。
斯特林循环胜过卡诺循环的主要优点是用两个等容过程代替两个绝热过程，这就大大增加了P-V 图的面积。因此，为了取得适当的功，它不需要象卡诺循环那样，必须借助于很大的压力和扫气容积。
【实验拓展与应用】
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蒸汽机的发展史:
图4 詹姆斯〃瓦特
世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria ）于1世纪发明的汽转球（Aeolipile ），不过它只是一个玩具而已。 约1679年，法国物理学家丹尼斯〃巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后，制造了第一台蒸汽机的工作模型。约与此同时萨缪尔〃莫兰也提出了蒸汽机的设想。1698年托马斯〃塞维利、1712年托马斯〃纽科门和1769年詹姆斯〃瓦特先后制造了早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特〃富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。瓦特并不是蒸汽机的发明者，在他之前，早就出现了蒸汽机，即纽科门蒸汽机，但它的耗煤量大、效率低。瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的症结所在。从1765年到1790年，他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑润滑活塞、行星
式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发明出了现代意义上的蒸汽机。 斯特林热机的发展史:
18世纪末和19世纪初正值工业革命的高潮时期，热机普遍为蒸汽机。热机的重要标志之一是它的效率，即吸收来的热量有多少转化为有用的功。当时，蒸汽机的效率很低，只有3%~5%左右。这一方面是由于散热、漏气、摩擦等因素损耗能量，另一方面是由于部分热量在低温热源处放出。为了提高热机的效率，人们开始从理论上研究热机。斯特林热机就是此时诞生的。
由于采用了两个等温过程与两个等容过程，斯特林热机的效率接近于卡诺循环，比汽油发动机或柴油发动机等内燃机更高。此外，由于斯特林发动机中使用的是封闭气体和外部热源，没有排放高压气体的排气阀，因此发动机的噪音很低。鉴于此，目前已设计制造的斯特林热机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用，如美国STM 公司的民用25KW 外燃机、日本亲潮级潜艇上使用的斯特林发动机。在凡尔纳的科幻小说《海底两万里》中，那艘著名的潜艇诺第留斯号的动力就是斯特林发动机，他的热源是采用钠与水反应生热，说明凡尔纳多么具有科学远见。上海711研究所已开发出110kW 级斯特林热机（使用常规燃料），北京农业大学也已开发出5kW 级燃玉米芯的斯特林热机。
那么，为什么市场上没有广泛应用斯特林发动机呢？这是因为斯特林热机仍然存在很大的缺陷。其主要缺点是工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命有待提高，发动机不能快速改变其动力输出，制造成本较高，机器较为笨重等。这些缺点表明，斯特林热机无法取代汽车中的内燃机。 但是，斯特林发动机为混合动力汽车提供动力、进行太阳能发电等却是切实可行的。此外，为克服上述缺点，未来，热气机将更多的新材料(如陶瓷) 和新工艺，以降低造价；对实际循环进行理论研究，完善结构，提高性能指标。
图5 美国SAIC/STM碟式斯特林发动机系统
【实验思考题】
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1． 请说出几种不同结构的斯特林热机，及其应用。
2． 应用斯特林逆循环进行制冷，应如何进行？
【参考文献】
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1． 《热学》，李椿 等，高等教育出版社，2008年。
2． h ttp://pesn.com/2005/08/11/9600147_Edison_Stirling_largest_solar/