Stirlingův stroj.

Lenka Eiseltová, Petr Zinburg.

Firma Leybold nabízí názornou učební pomůcku pro demonstraci termodynamic­kých dějů v uzavřených cyklech. Vlastní tepelný stroj sestrojil kolem roku 1816 Robert Stirling. Základní rozdíl mezi známějším Carnotovým cyklem a tímto Stir­lingovým cyklem je v záměně adiabatických dějů za děje izochorické. Porovnání obou cyklů je názorně ukázáno na obrázku 1.

obr. 1: Porovnání Carnotova a Stirlingova cyklu

1’2’3’4’ Carnotův cyklus; 1234 Stirlingův cyklus

Celé zařízení, které je tvořeno vodou chlazeným válcem se dvěma písty je velmi názorné a podle uspořádání experimentu může pracovat ve třech režimech. Jedná se o tepelný stroj, chladící stroj a tepelné čerpadlo.

Umístíme-li v hlavě válce elektricky žhavenou spirálu získáme funkci tepelného stroje, který přiváděné teplo převádí v mechanickou práci a setrvačník stroje se po počátečním vnějším impulsu otáčí. Rychlost otáček závisí na množství přiváděného tepla. Uspořádání pokusu je na obrázku č. 2.

obr. 2

Jestliže vyměníme hlavu se žhavenou spirálou za hlavu s držákem teploměru a do­dáváme stroji mechanickou energii otáčením setrvačníku spojeného excentry s písty lze podle směru otáčení (tj. směru ve vlastním Stirlingově cyklu) pozorovat buď zvyšování teploty nebo její pokles. Místo teploměru lze do stejného otvoru umístit zkumavku s vodou, kde při dostatečném počtu proběhlých cyklů dojde buď k varu vody nebo k jejímu zmrznutí. Toto je na obrázku č. 3 a 4.

1 pracovní píst 2 distribuční píst 3 regenerátor 4 hlava válce 5 chlazení

   

                                 obr. 3                                                    obr. 4

Děje probíhající při těchto experimentech lze popsat následovně. Cyklus začíná izo­termickou kompresí tj. práce na stlačení pracovní látky, které je ekvivalentní množ­ství tepla odváděného do okolí, přičemž se vnitřní energie pracovní látky nemění. Cyklus pokračuje izochorickým dějem – na úkor tepla regenerátoru (regenerátor si můžeme představit jako termodynamickou houbu, která má schopnost teplo po­stupně vstřebávat a opět odevzdávat) pracovní látka zvýší svoji teplotu a tím také vzroste tlak. Následuje izotermická expanze – teplo od vnějšího zdroje se předá pra­covní látce a tedy práce získaná při expanzi je ekvivalentní množství přiváděného tepla. Cyklus ukončuje izochorický děj – pracovní látka odevzdá teplo regenerátoru a tím se sníží její teplota a tlak. Uspořádání je na obrázku č. 3.

Stirlingovy stroje pracují bez velkého hluku a vibrací a téměř neznečišťují ovzduší. Jejich nevýhodou je složitost a vysoká cena. V současné době se používají jako mo­tory přístavních člunů, zkapalňovačů plynů a elektrogenerátory malých výkonů.

Průběh závislosti objemu a tlaku ve válci lze sledovat pomocí optického zařízení do­dávaného k soupravě. V případě naší ukázky byly použity snímače tlaku objemu a teploty, jejich hodnoty byly digitalizovány pomocí soupravy ISSES. Takto získané experimentální hodnoty ukazuje obrázek č. 5.

obr. 5