奇特的斯特林發(fā)動機(jī)

準(zhǔn)備材料

木板和金屬絲做的支架、酒精燈、帶橡膠塞的試管、玻璃注射器、玻璃球、橡皮筋、氣門芯。

制作過程

1. 在橡膠塞的正中鉆一個小孔，穿一根細(xì)銅管，銅管尾端向下彎曲。

2. 用一小段氣門芯將銅管尾端與注射器連接在一起，注射器要用活塞運(yùn)動阻力很小的玻璃注射器。連接完成后，檢查注射器的氣密性。

3. 試管內(nèi)裝入幾顆玻璃球，塞上橡膠塞，斯特林發(fā)動機(jī)的主體就完成了！

4. 用一根橡皮筋從中間位置將試管套在支架上，并用雙面膠把玻璃注射器的活塞底面粘在木板上，完成安裝工作。

5. 用試管、玻璃球和注射器制作的斯特林發(fā)動機(jī)，制作過程簡單，難點(diǎn)在于調(diào)試。初始狀態(tài)要讓試管保持水平，并略微向橡膠塞一側(cè)傾斜。拔出橡膠塞，調(diào)節(jié)注射器活塞伸出的長度，然后再塞緊橡膠塞，反復(fù)調(diào)節(jié)，直到試管保持很小的傾角。

6. 初始狀態(tài)調(diào)節(jié)完畢后如圖6，試管以支架為軸，略微向橡膠塞一側(cè)傾斜，因此玻璃球都滾動到了橡膠塞一側(cè)。這時用酒精燈加熱試管的另一端，試管內(nèi)的空氣受熱后體積膨脹，通過細(xì)銅管，推動注射器。注射器的套筒被推動向上運(yùn)動，改變試管的傾角，超過平衡位置以后，玻璃球就會向試管的另一端滾動。（注意：用酒精燈加熱試管要符合實驗室操作規(guī)范，先用酒精燈外焰均勻預(yù)熱試管，防止炸裂，再把酒精燈放在固定位置加熱試管。）

7. 圖7是玻璃球都滾動到試管另一端的情形。如果經(jīng)過較長時間的加熱，試管的傾角仍然沒有改變，說明空氣膨脹所產(chǎn)生的推動力不足以推動橡膠塞一側(cè)向上運(yùn)動。這時可以在注射器的活塞下面墊一些硬紙板，讓試管水平傾角更小一些，這樣需要的推動力也就更小。反復(fù)調(diào)整，直到注射器開始向上運(yùn)動。

在玻璃球滾動到酒精燈一側(cè)時，情況就變得很有意思。因為玻璃球把試管內(nèi)的空氣都“擠”到另一側(cè)了，此時雖然酒精燈仍然在加熱試管，但是無法加熱空氣。試管內(nèi)的空氣會散熱降溫，體積收縮，壓力降低，導(dǎo)致注射器套筒向下運(yùn)動，試管重新向橡膠塞一側(cè)傾斜，玻璃球重新滾動回來，整個裝置重新回到步驟6的狀態(tài)。

重新進(jìn)入步驟6的狀態(tài)以后，酒精燈能夠再次加熱空氣，于是空氣體積膨脹、壓力增加，推動注射器，裝置第二次回到步驟7的狀態(tài)。如此循環(huán)往復(fù)，這個斯特林發(fā)動機(jī)就會一直工作了。

斯特林發(fā)動機(jī)是英國倫敦的一位牧師羅巴特·斯特林于1816年發(fā)明的，所以被命名為“斯特林發(fā)動機(jī)”。斯特林發(fā)動機(jī)是獨(dú)特的熱機(jī)，因為它實際上的轉(zhuǎn)換效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環(huán)效率。斯特林發(fā)動機(jī)是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動力的，這是一種外燃發(fā)動機(jī)，使燃料連續(xù)地燃燒，蒸發(fā)的膨脹氫氣（或氦氣）作為動力氣體使活塞運(yùn)動，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過程。斯特林發(fā)動機(jī)只需很低的溫度和壓力就可以啟動，所以它一直以來很受模型愛好者的歡迎，在家庭條件下，利用簡單的工具和材料就能制造一臺。

斯特林發(fā)動機(jī)的工作氣體是密封在氣缸內(nèi)部的，不與外界進(jìn)行氣體交換。氣缸具有一個加熱端（酒精燈一側(cè)），一個制冷端（橡膠塞一側(cè)，可以看作外界空氣制冷）。工作氣體在加熱端和制冷端之間來回運(yùn)動，被加熱的時候體積膨脹作功，被冷卻的時候體積收縮也作功，因此它的熱效率是很高的。這種讓工作氣體在冷、熱端之間來回運(yùn)動的裝置，叫做“氣體置換活塞”（我們這里是玻璃球，靠重力來回滾動，同時推動工作氣體運(yùn)動）。

斯特林發(fā)動機(jī)有很多種類型，這里介紹的只是其中最容易制作的一種。斯特林發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，工作溫度和壓力低，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小，因此可以應(yīng)用在潛艇上，例如利用堿金屬與海水化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，不但不需要氧氣，而且紅外線和噪聲輻射都很低，不容易被敵國軍艦發(fā)現(xiàn)。