掌心上的斯特林发动机

朱继银

1816年，英国物理学家罗伯特·斯特林发明了一种热力外燃循环发动机——斯特林发动机。它没有像汽油或柴油发动机那样排放气体的排气门，内部也没有燃烧发生，因此运行时非常安静。正因如此，即使过去了200多年，斯特林发动机仍旧在潜艇、游艇等领域被广泛利用。本期我们将通过自制一个斯特林发动机模型，来理解隐藏在斯特林发动机背后的科学原理。

酒精灯、火柴、螺丝刀、湿毛巾、固定带、软管、垫片、螺丝钉、电流表、试管、木塞、铁丝、针管、发电机（用来将机械能转换为电能，在电流表上显示有示数）、木板

1按下图所示将木板组装好，1为两个前后都带凹槽的木板，2处放入一个发电机并连接电流表，3为两个飞轮。

2如图，将长木条和短木板安装好，组成一个倒T形结构。

3将电流表放在带凹槽的木板处，用固定带固定。

4用针管作为小气缸（冷源气缸），按如图方式组装好，用固定带把“小气缸”固定在后面的小凹槽上。铁丝的另一端用螺丝固定在小飞轮的中心。

5用大试管作为大气缸（热源气缸），小试管和木塞按如图方式组装好，把“大气缸”放在前面的凹槽处，用固定带固定。铁丝的另一端用螺丝钉固定在大飞轮的中心。

6将组装好的以上部分安装在倒T形结构上，用螺丝钉固定好。

7将“大气缸”和“小气缸”的通气口用软管连接起来，这样斯特林发动机模型就组装好了。

8检查飞轮能否转动，再转动飞轮确保“大气缸”内的小试管不会与“大气缸”碰触。若没有问题，将酒精灯放在“大气缸”下方。点燃酒精灯，预热2～3分钟，轻轻用手转动飞轮，此时可以观察到两个“气缸”内的小试管都在做循环运动，电流表指针有示数。

斯特林发动机又被称为“热气机”，在外加热源的作用下，斯特林发动机气缸内的气体通过周期（吸热、膨胀、冷却、压缩为一个周期）循环来输出动力。

斯特林发动机的能量转换方式是将热能转换为机械能，机械能转换为电能，利用气体的热胀冷缩推动活塞（“气缸”内的小试管）运动，从而产生电流。

斯特林发动机有两个气缸，其中一个气缸接触热源，另一个气缸为冷源气缸。在热源气缸下方加热，气缸内气体受热膨胀，推动气缸内小试管运动，气体受热膨胀通过连通器（实验中用到的软管）进入冷源气缸的同时，小试管连接的连杆开始推动曲轴转动。在冷源气缸处，气体接触冷源收缩，气缸内小试管拉动与电源装置连接的连杆运动，循环往复，通过发电机产生电流。

酒精灯的使用有一定危险性，请务必在家长的陪同下进行实验。

使用酒精灯时要注意以下几点：酒精灯内酒精含量不能少于其容积的1/4，但也不能超过其容积的2/3。最好用火柴點燃酒精灯。酒精灯使用完用灯帽盖灭，不能吹灭。盖灭后，须提起灯帽再盖一次，放走酒精蒸汽。准备湿毛巾，若不慎将酒精灯打翻，快速用湿毛巾灭火，开窗通风，让酒精挥发，不要在打翻酒精的附近用火。

（责任编辑 / 高琳 美术编辑 / 周游）