斯特林原理發(fā)動機(jī)在創(chuàng)新實驗中的應(yīng)用

劉彥平

摘? 要 以斯特林原理的單缸高溫置換型發(fā)動機(jī)演示模型、低溫磁鏈型發(fā)動機(jī)演示模型以及模塊化小型斯特林原理高溫發(fā)動機(jī)組裝模型為例，為學(xué)生具體形象地闡述熱力學(xué)原理以及空氣動力學(xué)原理在實際中的應(yīng)用。同時讓學(xué)生通過了解斯特林原理發(fā)動機(jī)特點，引發(fā)學(xué)生對于能源的綜合利用、減少環(huán)境污染進(jìn)行多維度思考。這類創(chuàng)新實驗室的建立，對于提高學(xué)生對學(xué)習(xí)物理學(xué)基本原理的積極性和學(xué)習(xí)興趣具有重要意義。

關(guān)鍵詞 斯特林原理;發(fā)動機(jī);創(chuàng)新實驗室;發(fā)動機(jī)模型

中圖分類號：G482? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）07-0123-03

1 引言

自18世紀(jì)中葉，瓦特改良蒸汽機(jī)并引發(fā)工業(yè)革命開始，各種機(jī)械設(shè)備相繼出現(xiàn)在人類的日常生活和生產(chǎn)活動中，對于機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用方式和范圍及其本身創(chuàng)新的追逐，推動了社會的一次次變革。蒸汽機(jī)到了20世紀(jì)乃至今天仍然作為動力機(jī)在使用。正如馬克思所說，蒸汽機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，在短時間內(nèi)改變了整個世界的面貌。蒸汽機(jī)作為發(fā)動機(jī)的鼻祖，不僅引起了交通運輸?shù)淖兏?，帶動了工業(yè)部門的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的興起，并且引發(fā)生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的矛盾，進(jìn)而引起社會結(jié)構(gòu)的變革，甚至導(dǎo)致世界格局的變化。因此，自從蒸汽機(jī)開始，各國在發(fā)動機(jī)上的研究和投入不遺余力，誰掌握了更加先進(jìn)的原理和實際應(yīng)用，誰就是經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)跑者。正是在這樣的環(huán)境下，發(fā)動機(jī)也發(fā)展出蒸汽機(jī)、汽/柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、直/交流電機(jī)等眾多種類，而每一次的變革都伴隨著時代的變遷。

當(dāng)今，內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)被廣泛應(yīng)用于航天、交通、制造、信息以及日常生活等諸多方面，而具有效率極高特點的斯特林原理發(fā)動機(jī)的實際應(yīng)用卻非常有限。這種現(xiàn)象應(yīng)該引起教育工作者的思考和重視，不能忘記實業(yè)對一個民族、一個國家的重要性。而在實業(yè)中更加需要的就是對這種基礎(chǔ)自然學(xué)科的應(yīng)用的不斷探討，所以建立物理學(xué)基礎(chǔ)原理創(chuàng)新型實驗室是非常有必要的。

創(chuàng)新并不一定是從無到有，對已有事物的改造或推廣應(yīng)用也是創(chuàng)新。所以，通過外燃機(jī)的典型代表——斯特林發(fā)動機(jī)在創(chuàng)新實驗室中的應(yīng)用，對斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理進(jìn)行研究和探討，提高學(xué)生對自然科學(xué)的思考，塑造學(xué)生審視世界的多維視角。

2 建立斯特林原理創(chuàng)新實驗室的意義

斯特林原理發(fā)動機(jī)是由英國科學(xué)家Robert Stirling于1816年發(fā)明的，所以人們把這種運用“熱—功轉(zhuǎn)換”原理的外燃發(fā)動機(jī)命名為斯特林（以下簡稱STL）發(fā)動機(jī)，并將其中運用的物理學(xué)基本原理統(tǒng)稱為STL原理。STL發(fā)動機(jī)是在蒸汽機(jī)出現(xiàn)之后才發(fā)明的，也是人們在工業(yè)革命階段對熱機(jī)效率的探索中出現(xiàn)的產(chǎn)物。Stirling當(dāng)時的主要工作是牧師，并在一所學(xué)校任教以及搞科研工作。當(dāng)時蒸汽機(jī)盛行，但是蒸汽機(jī)的鍋爐高溫高壓，經(jīng)常有爆炸事故發(fā)生，Stirling任教的學(xué)校就發(fā)生過鍋爐爆炸事件并造成人員傷亡。如果有一種發(fā)動機(jī)不需要鍋爐，那就可以避免爆炸的危險，Stirling由此深入地研究了蒸汽機(jī)以及當(dāng)時出現(xiàn)的各種熱機(jī)，并發(fā)明了STL循環(huán)及STL熱機(jī)。

STL循環(huán)是一種重要的熱機(jī)循環(huán)，這種循環(huán)是全封閉式循環(huán)，也就是說整個熱機(jī)循環(huán)中，熱機(jī)內(nèi)部的工質(zhì)（發(fā)動機(jī)內(nèi)部參與工作的氣體）不與外界產(chǎn)生交換。而與此對應(yīng)的開放式循環(huán)，比如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等的熱機(jī)循環(huán)，都屬于開放式循環(huán)，這種循環(huán)包括進(jìn)氣和排氣。STL循環(huán)的全封閉的循環(huán)工作方式，決定了STL發(fā)動機(jī)可以長時間工作而不需要維護(hù)的特性。如果在理想狀態(tài)下，STL循環(huán)的熱效率近似等于卡諾循環(huán)。

從燃料的供給方式來區(qū)分的話，STL發(fā)動機(jī)屬于外燃機(jī)。不同于內(nèi)燃機(jī)的燃料進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部，也就是燃料參與工作，STL發(fā)動機(jī)的燃料不進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部，僅提供發(fā)動機(jī)所需的熱量。由此帶來的好處是，STL發(fā)動機(jī)可以使用大家熟悉的燃料，如汽油、柴油等常規(guī)燃料都可以，同時低品位的燃料一樣可以使用，甚至煤炭、木柴也不在話下，清潔的太陽能也可以在STL發(fā)動機(jī)中找到利用的方向，太空中使用更可以發(fā)揮其優(yōu)勢。另外，由于內(nèi)部工質(zhì)不參與燃燒，因此，STL發(fā)動機(jī)沒有內(nèi)燃機(jī)工作時的劇烈震動現(xiàn)象，沒有震動就沒有相應(yīng)的噪音。這些優(yōu)點決定了STL發(fā)動機(jī)應(yīng)該會有十分廣闊的應(yīng)用前景。

科幻小說家凡爾納的《海底兩萬里》中的那艘神出鬼沒的安靜的潛艇——諾第留斯號的動力源就是講STL發(fā)動機(jī)，它的驅(qū)動熱源就是采用金屬鈉與水反應(yīng)生熱。當(dāng)年的幻想在今天未必不能成為現(xiàn)實。所以，建立像STL原理這樣的闡述基礎(chǔ)物理學(xué)的創(chuàng)新實驗室，可以使學(xué)生意識到：其實一切前沿科學(xué)的基礎(chǔ)都是自然學(xué)科的基礎(chǔ)原理，任何科學(xué)研究和創(chuàng)新發(fā)明不能離開對自然科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)的研究探索?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生的正確思維，使他們懂得，基礎(chǔ)的學(xué)科不僅僅是用來應(yīng)對考試的，即使將來受到最高水平的教育，一切學(xué)術(shù)的提升都是來源于扎實的基礎(chǔ)學(xué)術(shù)水平。一個古老的STL原理尚且如此，還有很多可以深入探索的東西，何況茫茫的科學(xué)之海中的其他呢？

為什么STL發(fā)動機(jī)有這么多的優(yōu)點卻沒有像蒸汽機(jī)一樣被人們重視呢？那是因為它與蒸汽機(jī)一樣受到了當(dāng)時應(yīng)用條件的限制。以當(dāng)時的工藝，STL發(fā)動機(jī)的氣缸會出現(xiàn)長時間工作后開裂的情況，同時受到內(nèi)燃機(jī)改良后逐漸盛行起來的影響，STL發(fā)動機(jī)逐漸消失在人們的視野中。直到20世紀(jì)60年代發(fā)生能源危機(jī)，STL發(fā)動機(jī)又被人們記起，進(jìn)而在多個領(lǐng)域中開始嘗試應(yīng)用。

綜上所述，如果能夠建立相應(yīng)的STL原理創(chuàng)新實驗室，能讓學(xué)生通過教師對演示模型的講解以及直觀觀察，然后通過對組裝模型的親身實踐，從而更加深刻地理解、掌握相應(yīng)的物理學(xué)原理，還能開拓學(xué)生對基礎(chǔ)物理學(xué)在實際中應(yīng)用的思考，能夠多維度地審視世界。因此，建立STL原理創(chuàng)新實驗室，能讓學(xué)生在了解發(fā)動機(jī)演變史的同時，深刻理解物理學(xué)基本原理，以及這些原理在發(fā)動機(jī)上的具體應(yīng)用，在引發(fā)學(xué)生對應(yīng)用創(chuàng)新思考方面具有重要的現(xiàn)實意義。

3 STL原理創(chuàng)新實驗室的主要活動

創(chuàng)新實驗室首先需要引進(jìn)演示類教學(xué)模型，通過教師對演示模型的講解，使學(xué)生掌握物理學(xué)基本原理的具體應(yīng)用。

作為演示類教學(xué)使用的STL原理發(fā)動機(jī)模型，一般主要結(jié)構(gòu)包括動力氣缸、動力壓氣活塞、傳動連桿、配重部件、可視結(jié)構(gòu)框架等部件。按照使用的熱源溫度，大致分為兩類：一類是單缸高溫置換型發(fā)動機(jī)演示模型（圖1）;一類是低溫磁鏈型發(fā)動機(jī)演示模型（圖2）。

單缸高溫置換型高溫差STL發(fā)動機(jī)模型，一般可以采用酒精燈加熱、電熱絲加熱或者太陽能聚焦集熱，熱氣缸多采用耐高溫玻璃制成，動力氣缸采用人工研磨配和的玻璃氣缸和活塞制成，以保證氣密性及免維護(hù)性。這種模型輸入的熱量比較高，轉(zhuǎn)速比較快，動力性能比較好，一般還可帶動一些負(fù)載，比如LED燈等，展示效果比較震撼，每次課堂展示時都使學(xué)生產(chǎn)生不小的轟動。

低溫磁鏈型STL發(fā)動機(jī)模型，一般采用熱水、低溫電熱絲或者太陽直接照射集熱，熱氣缸一般采用耐高溫透明工程塑料制成，動力氣缸采用人工研磨配合的玻璃氣缸和活塞制成，以保證氣密性及免維護(hù)性。這種模型的輸入熱量比較少，所以這種結(jié)構(gòu)的熱氣缸一般都比動力氣缸大數(shù)倍，用以增加吸熱面。這種模型雖然動力較高溫模型弱，但演示效果也非常明顯，畢竟只是那么一點點的熱量就能實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動。

通過認(rèn)識這些STL原理發(fā)動機(jī)由不同熱源驅(qū)動，讓學(xué)生理解熱能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的熱力學(xué)過程，以及利用多種能源的意義，啟發(fā)多種思考。

為了達(dá)到最好的教學(xué)效果，創(chuàng)新實驗室中應(yīng)引入可以分組展開的、簡易組裝的、模塊化的小型STL原理發(fā)動機(jī)模型，如圖3、圖4所示，每一個零部件都由學(xué)生親自動手組裝。在完成組裝的過程中，讓學(xué)生充分體會物理學(xué)基本原理和知識的現(xiàn)實應(yīng)用，以及發(fā)動機(jī)模型轉(zhuǎn)動所帶來的創(chuàng)造動力與樂趣。

如何在教育工作中培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，如何使教育工作及時順應(yīng)時代的需要，如何使教育工作最大限度地為社會服務(wù)，是這個快速發(fā)展的時代對教育工作者發(fā)出的挑戰(zhàn)，也是值得深思的重要的改革課題。每一位教師都在為了知識的傳授兢兢業(yè)業(yè)地工作，也都期望培養(yǎng)出未來可以適應(yīng)社會需求的、富有創(chuàng)新意識和能力的人才。學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)可以通過教師對教導(dǎo)方法的不斷豐富來實現(xiàn)，而創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)則需要通過有效的實踐活動作為教學(xué)補(bǔ)充來實現(xiàn)。另外，這些實踐活動對加深學(xué)生對物理學(xué)等自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論在實際中的應(yīng)用的理解，有著廣泛的指導(dǎo)作用。

4 STL原理創(chuàng)新實驗室的拓展意義

1）安全、穩(wěn)定、啟動時間短的特性，可以適應(yīng)教學(xué)時間的需要，增強(qiáng)生動性;

2）學(xué)生可以通過演示模型，直接觀察“熱—功轉(zhuǎn)換”的實際過程，方便對物理學(xué)基本原理的理解，從而增強(qiáng)教學(xué)效果;

3）通過小型發(fā)動機(jī)模型的組裝，使學(xué)生在具體的操作中更加深刻單理解物理學(xué)基本原理在STL發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用，或者說著名的STL原理是由哪些物理學(xué)基本原理組成的;

4）通過這種教師演示到學(xué)生操作的教學(xué)方式，可以增加教學(xué)中的互動，使原本枯燥抽象的物理教學(xué)內(nèi)容更容易被學(xué)生接受。

STL原理創(chuàng)新實驗室的建立，不僅能夠清晰地講解物理學(xué)基本原理及應(yīng)用，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力也有更加廣闊的拓展意義。

一方面，可以通過STL發(fā)動機(jī)的講解，拓展學(xué)生對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、活塞運動方式、機(jī)械連接方式等知識的認(rèn)識，從而積極引導(dǎo)學(xué)生的思維方向。

另一方面，可以通過STL發(fā)動機(jī)作為一種被歷史遺忘的熱機(jī)，如今卻再次被審視和重新研究，告訴學(xué)生任何創(chuàng)新都要依靠對基礎(chǔ)科學(xué)及理論的熟練運用。比如：STL原理在氣體制冷機(jī)或氣體熱泵機(jī)上的運用;STL原理的循環(huán)特性更適應(yīng)當(dāng)今社會對環(huán)保節(jié)能等多種環(huán)境改善的需求;軍事上，凡爾納的幻想變成現(xiàn)實，STL發(fā)動機(jī)或?qū)⑻娲谌偷谒拇Ｒ?guī)潛艇上裝備的柴油機(jī)，成為第五代常規(guī)動力潛艇的主流發(fā)動機(jī)。

通過這些知識面的介紹，告訴學(xué)生：基于基礎(chǔ)科學(xué)理論的幻想，可以通過努力探索變?yōu)楝F(xiàn)實。這對于開拓學(xué)生思維，使他們學(xué)會多維度地觀察世界，具有十分重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

從無到有是創(chuàng)新，對原事物的改造或者實際應(yīng)用的推廣也是創(chuàng)新，在當(dāng)今環(huán)境保護(hù)與節(jié)能的主題環(huán)境下，現(xiàn)實意義更加重要。物理是一門實驗科學(xué)，只有不斷地創(chuàng)新和改革實驗的教學(xué)方法，才能不斷地推動物理教學(xué)的發(fā)展。這也是教育工作者努力的方向！■