奇特的斯特林发动机

准备材料

木板和金属丝做的支架、酒精灯、带橡胶塞的试管、玻璃注射器、玻璃球、橡皮筋、气门芯。

制作过程

1. 在橡胶塞的正中钻一个小孔，穿一根细铜管，铜管尾端向下弯曲。

2. 用一小段气门芯将铜管尾端与注射器连接在一起，注射器要用活塞运动阻力很小的玻璃注射器。连接完成后，检查注射器的气密性。

3. 试管内装入几颗玻璃球，塞上橡胶塞，斯特林发动机的主体就完成了！

4. 用一根橡皮筋从中间位置将试管套在支架上，并用双面胶把玻璃注射器的活塞底面粘在木板上，完成安装工作。

5. 用试管、玻璃球和注射器制作的斯特林发动机，制作过程简单，难点在于调试。初始状态要让试管保持水平，并略微向橡胶塞一侧倾斜。拔出橡胶塞，调节注射器活塞伸出的长度，然后再塞紧橡胶塞，反复调节，直到试管保持很小的倾角。

6. 初始状态调节完毕后如图6，试管以支架为轴，略微向橡胶塞一侧倾斜，因此玻璃球都滚动到了橡胶塞一侧。这时用酒精灯加热试管的另一端，试管内的空气受热后体积膨胀，通过细铜管，推动注射器。注射器的套筒被推动向上运动，改变试管的倾角，超过平衡位置以后，玻璃球就会向试管的另一端滚动。（注意：用酒精灯加热试管要符合实验室操作规范，先用酒精灯外焰均匀预热试管，防止炸裂，再把酒精灯放在固定位置加热试管。）

7. 图7是玻璃球都滚动到试管另一端的情形。如果经过较长时间的加热，试管的倾角仍然没有改变，说明空气膨胀所产生的推动力不足以推动橡胶塞一侧向上运动。这时可以在注射器的活塞下面垫一些硬纸板，让试管水平倾角更小一些，这样需要的推动力也就更小。反复调整，直到注射器开始向上运动。

在玻璃球滚动到酒精灯一侧时，情况就变得很有意思。因为玻璃球把试管内的空气都“挤”到另一侧了，此时虽然酒精灯仍然在加热试管，但是无法加热空气。试管内的空气会散热降温，体积收缩，压力降低，导致注射器套筒向下运动，试管重新向橡胶塞一侧倾斜，玻璃球重新滚动回来，整个装置重新回到步骤6的状态。

重新进入步骤6的状态以后，酒精灯能够再次加热空气，于是空气体积膨胀、压力增加，推动注射器，装置第二次回到步骤7的状态。如此循环往复，这个斯特林发动机就会一直工作了。

斯特林发动机是英国伦敦的一位牧师罗巴特·斯特林于1816年发明的，所以被命名为“斯特林发动机”。斯特林发动机是独特的热机，因为它实际上的转换效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的，这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦气）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。斯特林发动机只需很低的温度和压力就可以启动，所以它一直以来很受模型爱好者的欢迎，在家庭条件下，利用简单的工具和材料就能制造一台。

斯特林发动机的工作气体是密封在气缸内部的，不与外界进行气体交换。气缸具有一个加热端（酒精灯一侧），一个制冷端（橡胶塞一侧，可以看作外界空气制冷）。工作气体在加热端和制冷端之间来回运动，被加热的时候体积膨胀作功，被冷却的时候体积收缩也作功，因此它的热效率是很高的。这种让工作气体在冷、热端之间来回运动的装置，叫做“气体置换活塞”（我们这里是玻璃球，靠重力来回滚动，同时推动工作气体运动）。

斯特林发动机有很多种类型，这里介绍的只是其中最容易制作的一种。斯特林发动机的优点是热效率高，工作温度和压力低，运转噪声小，因此可以应用在潜艇上，例如利用碱金属与海水化学反应产生的热量，不但不需要氧气，而且红外线和噪声辐射都很低，不容易被敌国军舰发现。

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