掌心上的斯特林發動機

朱繼銀

1816年，英國物理學家羅伯特·斯特林發明了一種熱力外燃循環發動機——斯特林發動機。它沒有像汽油或柴油發動機那樣排放氣體的排氣門，內部也沒有燃燒發生，因此運行時非常安靜。正因如此，即使過去了200多年，斯特林發動機仍舊在潛艇、游艇等領域被廣泛利用。本期我們將通過自制一個斯特林發動機模型，來理解隱藏在斯特林發動機背后的科學原理。

酒精燈、火柴、螺絲刀、濕毛巾、固定帶、軟管、墊片、螺絲釘、電流表、試管、木塞、鐵絲、針管、發電機（用來將機械能轉換為電能，在電流表上顯示有示數）、木板

1按下圖所示將木板組裝好，1為兩個前后都帶凹槽的木板，2處放入一個發電機并連接電流表，3為兩個飛輪。

2如圖，將長木條和短木板安裝好，組成一個倒T形結構。

3將電流表放在帶凹槽的木板處，用固定帶固定。

4用針管作為小氣缸（冷源氣缸），按如圖方式組裝好，用固定帶把“小氣缸”固定在后面的小凹槽上。鐵絲的另一端用螺絲固定在小飛輪的中心。

5用大試管作為大氣缸（熱源氣缸），小試管和木塞按如圖方式組裝好，把“大氣缸”放在前面的凹槽處，用固定帶固定。鐵絲的另一端用螺絲釘固定在大飛輪的中心。

6將組裝好的以上部分安裝在倒T形結構上，用螺絲釘固定好。

7將“大氣缸”和“小氣缸”的通氣口用軟管連接起來，這樣斯特林發動機模型就組裝好了。

8檢查飛輪能否轉動，再轉動飛輪確保“大氣缸”內的小試管不會與“大氣缸”碰觸。若沒有問題，將酒精燈放在“大氣缸”下方。點燃酒精燈，預熱2～3分鐘，輕輕用手轉動飛輪，此時可以觀察到兩個“氣缸”內的小試管都在做循環運動，電流表指針有示數。

斯特林發動機又被稱為“熱氣機”，在外加熱源的作用下，斯特林發動機氣缸內的氣體通過周期（吸熱、膨脹、冷卻、壓縮為一個周期）循環來輸出動力。

斯特林發動機的能量轉換方式是將熱能轉換為機械能，機械能轉換為電能，利用氣體的熱脹冷縮推動活塞（“氣缸”內的小試管）運動，從而產生電流。

斯特林發動機有兩個氣缸，其中一個氣缸接觸熱源，另一個氣缸為冷源氣缸。在熱源氣缸下方加熱，氣缸內氣體受熱膨脹，推動氣缸內小試管運動，氣體受熱膨脹通過連通器（實驗中用到的軟管）進入冷源氣缸的同時，小試管連接的連桿開始推動曲軸轉動。在冷源氣缸處，氣體接觸冷源收縮，氣缸內小試管拉動與電源裝置連接的連桿運動，循環往復，通過發電機產生電流。

酒精燈的使用有一定危險性，請務必在家長的陪同下進行實驗。

使用酒精燈時要注意以下幾點：酒精燈內酒精含量不能少于其容積的1/4，但也不能超過其容積的2/3。最好用火柴點燃酒精燈。酒精燈使用完用燈帽蓋滅，不能吹滅。蓋滅后，須提起燈帽再蓋一次，放走酒精蒸汽。準備濕毛巾，若不慎將酒精燈打翻，快速用濕毛巾滅火，開窗通風，讓酒精揮發，不要在打翻酒精的附近用火。

（責任編輯 / 高琳 美術編輯 / 周游）