材料物理撞球team

展演模組名稱(實驗名稱)：史特靈引擎

團隊成員：郭昱均、王睿甫、黃建維、葉柏賢、王聖翔、謝宇翔*

班級：材料系 一 甲、*材料系 一乙

普通物理授課老師：朱淑君、*陳泉宏

儀器說明

史特林引擎:動力飛輪、支撐架、底座、排氣器、鍋子

史特林：酒精燈，發光二極體（LED），馬達，史特靈引擎 M16-22-D型號

展演流程

1. 鍋子內加入熱水。

2. 將史特林引擎放置於鍋子上。

3. 輕輕轉動動力飛輪提供初始動力。


展演流程

1. 把組裝好的史特林引擎放好，將其放上。

2. 把酒精燈點燃，燃燒大約三十秒後便會開始轉動，像上圖一樣。

3. 期間跟同學說明原理。


原理說明

史特林發動機是倫敦的牧師羅巴特史特林(Robert Stirling)於1816年發明的，所以命名為"史特林發動機"(Stirling engine)。史特林發動機是獨特的熱機，因為他們實際上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾迴圈效率。

本實驗探討一個系統以一外加熱源為能量來源的引擎，此引擎又稱為「熱機」。利用氣體熱脹冷縮的原理，外加熱源為熱庫，室溫環境下為冷庫，在反覆熱脹冷縮後，轉換出一能量對外界作功。

本實驗所用的熱機為「史特林熱機」，其運作過程經歷了四個階段，分別為等溫膨脹→等容壓縮→等溫壓縮→等容膨脹，在理想情況下，系統等容放熱量應等於等容吸熱量，等溫膨脹吸收的熱量高於等溫壓縮放出的熱量，因而輸出機械能。

史特林熱機主要又分為兩大類，冷熱庫共用活塞的系統或是冷熱庫分離活塞的系統，這次展演的實驗器材為前者，而輸出的能量以轉動圓形輪盤的機械能表現之。在所有熱機中，雖然史特林熱機不是效率最高的熱機，但在設計的理念下卻是最容易製造的，首先是等容系統的環境，再者是共用活塞可以直接利用此系統連接冷熱庫，最後是圓盤的運作能利用其轉動的慣性，盡量減少由熱能轉換為機械能所產生的能量散失，使史特林熱機作功的表現達到最大化。

生活應用

1. 潛艇引擎

由於史特林引擎產生的運作噪音相較於內燃機小聲，所以常被用來做潛艇推進引擎，又稱「絕氣推進」(AIP, Air Independent Propulsion)，是指無須獲得外部空間中的氧氣而能夠長時間驅動潛艇的技術。

2. 聚焦式太陽能發電機

因為史特林引擎屬外燃機，因此熱源不受限制，任何種類的燃料皆可，所以可當作發電機 。

3. 人工心臟

將微型史特林引擎植入人體內，利用人體恆定的體溫作為動力來源，不過目前還有許多困難有待克服，科學家仍在積極的突破，以求在醫學能有所貢獻。


史特林引擎的優缺點

優點

1. 維修成本較低,且構造較簡單

2. 較高效,舉例來說,雖然在額定功率下，史特林引擎的投資成本目前比內燃機引擎高，而且通常更大更重，因此這引擎科技很少單獨以此作為競爭基準。然而在一些用途上，適當的本益分析可令史特林引擎優於內燃機引擎。

3. 更安靜,因為沒有燃燒或爆炸的發生,對需要靜音的潛艇來說很適合

4. 能減低引擎產生每單位能量的成本。

5. 能量來源多,可以用高溫也可以用低溫來發動,除此之外燃料的使用選擇上也較廣,只要能使其產生適當溫差都可以,因此也能往較環保的能量來源如地熱等方向發展。

6. 由於史特林引擎外部熱源與工作氣體是分開的，因此沒有燃燒廢棄物堆積於內部。

7. 由於熱源位於外部，因此在調整控制上，比內燃機容易得多。

8. 運作的溫度與壓力比起蒸氣引擎或內燃式引擎要低,因此較安全，故引擎強度與重量較不要求。

缺點

1. 雖然高溫差使得其運作效率提高，但也相對的會使活塞機構產生高溫或低溫侵蝕性的影響，引響運作壽命。

2. 雖然在低溫差可以運作，但要在低溫差下產生大量的動能時，引擎的體積就會很大。

3. 效率取決於引擎的隔熱包裝技術。如果無法有效控制，會徒增能源的散逸，減低效率。

4. 須經過一段暖機時間,因其為為外燃引擎，熱能透過汽缸壁傳給工作流體的熱傳導過程需要較長的時間，不能像汽油引擎一樣，一發動就能立刻產生動力。

馬力有限,相較於一般內燃機透過爆燃使能量快速傳導,史特林引擎的熱能要透過汽缸壁來傳達,故較慢。