剖析熱氣機的運用與能量科學教育范文
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斯特林發動機通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產生動力，相比汽油機、柴油機等內燃機具有以下優點：
（1）燃料來源廣。斯特林發動機不但可用煤、石油、天然氣、化石燃料外，也能利用太陽能、原子能、化學能，木材、秸稈等農林廢棄物燃燒釋放的能量，還可以用來回收各種分散或低品位的熱能。
（2）熱效率高。理想斯特林循環由兩個等溫過程和2個等容過程組成，理論循環效率等于相同狀態下的卡諾效率。實驗表明斯特林發動機的實際有效效率能達到32%～40%，最高可達47%。
（3）排氣污染小。斯特林發動機的燃燒過程連續進行，空氣燃燒比的變化對效率和功率的影響很小，只要在足夠空氣下運轉，燃料的燃燒值比較高，大大降低廢氣中CO、HC等有害氣體的含量。
（4）噪音低。斯特林發動機沒有氣閥機構且工質在汽缸內的壓力變化類似于正弦，沒有燃燒產生的爆震和排氣波，運轉比較平穩，噪音比較小。
（5）運轉特性好。斯特林發動機中最大壓力與最小壓力之比一般小于2，扭矩比較均勻、運轉比較平穩。斯特林發動機的超負荷能力強，在超負荷50%的情況下能正常運轉，相對于內燃機5%～15%的超負荷能力具有更好的運轉特性。
（6）結構簡單，維修方便。斯特林發動機比內燃機少40%的零部件，例如自由活塞式斯特林發動機只有密封的汽缸和2個活塞，沒有容易出故障的氣閥機構、高壓噴油系統和需要良好潤滑的活塞環，便于保養維修。盡管有如此出眾的性能和優點，但是由于斯特林發動機的熱源來自外部，需要經過一段時間才能通過氣缸壁將熱量傳導給發動機內的氣體，熱量損失是內燃發動機的2—3倍，難以快速改變動力輸出。再加上制造成本較高，密封件的可靠性和壽命存在不足，目前市場上還沒有大規模應用斯特林發動機。斯特林發動機的發展前景十分看好，研究者將致力于應用新材料和新工藝降低造價，完善結構和提高性能，有望在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調動力、車用混合推進動力等方面得到廣泛應用。例如在太陽能熱發電項目中,斯特林發動機可以把集熱器中的熱能直接轉化成動能驅動發電機發電，在美國和澳大利亞等國家取得實質性的突破，很多實驗電站已經運行多年，大規模商業運行電站正在建立。2005年8月SCE公司(SouthernCaliforniaEdison)和SES公司(StirlingEnergySystems,Inc.)宣布簽訂20年采購協議，由SES公司在美國洛杉磯東北莫哈韋沙漠地區采用碟式斯特林發電系統建造一座500MW并逐步擴大到850MW的太陽能熱發電站。該電站預計將由20，000個碟式斯特林發電系統組成，占地4500英畝(18平方公里)，這是太陽能光碟/斯特林發動機技術在商業發電領域第一次大規模應用。
發展于18～19世紀的熱學依舊是經典科學教育的重要內容，伴隨科技突飛猛進，課程內容也要適當反映當代科學成就，突出新的科學思想。能源科學教育應當強調以“能”概念為中心，使學生形成“能量及其轉化和耗散”的科學圖景。熱機的發明對現代社會影響深遠，學生可以調查身邊的熱機類型，了解從活塞到輪機及噴氣發動機的發展歷程。能源與環境危機是當今社會發展面臨的重大議題，樹立和培養學生的可持續發展意識已成為各國教育關注的熱點。傳統科學教學中教師單純依靠文字或者圖片視頻等方式介紹新能源的開發與利用，給學生提供一些表面的科技信息，無法貼近學生的實際生活經驗。學生只能被動地認識汽油機、柴油機等熱機的復雜構造，定性了解它們的工作原理和過程，無法開展切實可行的科學探究等活動。
近年來國外科學教育專家在中小學開展斯特林發動機模型制作與實驗研究，取得一系列成果。2010年6月上海交通大學出版社出版了濱口和洋等人編著的《斯特林引擎模型制作》，書中詳細介紹斯特林引擎的歷史、發展現狀、工作原理和特征，模型設計制作方法以及性能評價。本書具有很強的實踐性，讀者可以參照書中圖紙尺寸動手制作，也可以根據書中的理論知識自己設計制作。斯特林模型實驗教學表明，通過簡單的儀器演示與教具制作，學生不但觀察到“熱—功轉換”的實際過程，了解能源的循環利用，引發對能源與動力的學習興趣，發展動手操作的實踐能力。值得一提的是，斯特林發動機做為科學教育活動的主題，可難可易，可深可淺，它的模型構造可以十分簡單，也可以很復雜，容許學生經歷無限的想像和創作空間，自行創新設計與探索。
以下是利用玻璃球和試管設計的簡單斯特林模型，主要器材包括一支帶橡膠塞的試管，5個玻璃球，注射器（針管）、塑料接頭。將針頭穿透橡膠塞，把四個玻璃球裝進試管，將橡膠塞塞嚴，絕對不能漏氣。玻璃球直徑要比試管內徑略小，能夠順滑地在試管內滾動。把輸液器頭軟管那部分用力套在針管上，另一頭與針頭連接。氣路連接完畢以后試驗密封性能，往上推注射器活塞，要求松手后活塞能輕松回到原位。玻璃珠發動機的工作過程如下：
（1）右側的酒精燈加熱，氣體受熱膨脹，熱氣體被擠向活塞針筒。
（2）氣體膨脹使活塞針筒伸長。
（3）彈珠被推往試管另外一邊，把氣體擠往試管左側。
（4）活塞針筒伸長，系統體積變大，溫度下降。
（5）氣體溫度降低，使得氣體體積產生一個真空吸力，帶動活塞針筒收縮。
（6）針筒收縮，試管傾斜，彈珠滾回到試管的左側。
（7）彈珠移動，把部分氣體又一次擠回到試管的右邊。
（8）酒精燈再次加熱，使氣體膨脹后再一次做功。目前市場上推出一種基于斯特林發動機原理的DIY組裝玩具“溫差動能風車”，風車盤面透明無色，圖案可以自己打印裝飾，也可以拿一張報廢的CD盤片充當。把組裝好的動能風車放在溫度較高的物體上，比如一杯熱茶，人的手掌，甚至頭頂上，稍等一段時間待熱傳導至引擎室的下方，底部的熱能轉換機關就開始啟動輪盤，頂部的風車就會不斷旋轉。面對這個趣味橫生的熱能風車，教師可以提出不少啟發學生討論與思考的問題，例如：
（1）引擎的循環對應熱力學過程分析，氣體在不同階段的壓力、體積及溫度的變化關系？
（2）飛輪的旋轉方向與引擎的機構設計有關系嗎？
（3）增加熱水的溫度會產生什么影響？要讓風車持續運轉的時間增加，有什么方法？我國各地經濟發展水平差異較大，辦學條件比較好的學校可以購置幾臺斯特林發動機模型進行實驗教學，鼓勵學生開展制作斯特林發動機的課外科技活動，通過學習設計與制作斯特林模型，了解其基本構成、工作原理和特點。這無疑是一個既有挑戰性，又充滿動手操作樂趣的探究活動：學生需要在基本設想階段要求做出輸出和形狀的概略圖，在設計階段做出各零件的強度計算和形狀計算的概略圖，在制造階段提供加工材料及規格零件，在組裝階段檢查零件的尺寸，進行零件的粘結及組裝，運行階段進行加熱確認引擎工作。一些精明的商家適時推出兼具教育和娛樂功能于一體的斯特林小車模型，玩家只需要嚴格按照說明書，將各種零配件組裝起來，使用酒精作為動力，斯特林小車就可以自如行駛。
辦學條件一般的學校，可以鼓勵學生用身邊的簡易器材設計和制作各類斯特林發動機，例如玻璃球引擎及其驅動小車，空罐引擎，試管引擎及其驅動小車，燒杯引擎，低溫差引擎，大功率型引擎，特殊引擎等。目前不少地方學校的辦學條件還亟待改善和加強，國外開展多年的斯特林科技活動為我們提供諸多有益的啟發和思考，例如教材呈現的方式要有利于學生學習方式與教師教學方式的多樣化；課程內容要聯系社會和生活實際，突出科學技術與社會相互聯系和影響；教學活動要有創新意識和時代氣息，教學設計要合理有趣，使學生喜歡閱讀，愿意參加所設計的活動，體味到自主探究與成功的樂趣。
作者：李耀俊楊杰陳杰良單位：廣西民族大學理學院南寧第二中學